Mikrowellen beeinträchtigen die Energieversorgung der Gehirnzellen.

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Mikrowellen beeinträchtigen die Energieversorgung der Gehirnzellen.

Mikrowellen (MW), elektromagnetische Wellen mit Frequenzen im Bereich von 300 MHz bis 300 GHz, sind in den Bereichen Telekommunikation, Landwirtschaft, Transportwesen, Medizin und Militär weit verbreitet. Die Popularisierung von Mobiltelefonen, Computern, Haushaltsgeräten und anderen elektronischen Geräten hat das Lernen, Arbeiten und den
Zugang zu Unterhaltung wesentlich erleichtert. Mit der intensiven Entwicklung verschiedener fortschrittlicher militärischer
Waffenausrüstung, wie Frühwarnflugzeugen, elektronischen Störsendern und neuem Radar, sind Soldaten immer komplizierten Umweltfaktoren ausgesetzt, einschließlich intensiver und komplexer MW-Strahlung. Als viertgrößte Verschmutzungsquelle nach Luft, Wasser und Lärm verursacht MW – Strahlung viele biologische Wirkungen. Das Gehirn ist das empfindlichste Zielorgan für MW-Strahlung, bei der mitochondriale Schädigung früher und stärker auftritt als in anderen Organen. Studien über die Auswirkungen von MW-Strahlung auf den Energiestoffwechsel im Gehirn haben große Besorgnis ausgelöst.

Hier der Link zum Englischen Orginal…

Untersuchungsergebnisse:

Auswirkungen von Mikrowellenstrahlung auf den Energiestoffwechsel im Gehirn und damit verbundene Mechanismen

Verfasser: Yan-Hui Hao, Li Zhao, Rui-Yun Peng
US-amerikanische Nationalbibliothek für Medizin; Nationales Gesundheitsinstitut

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4440565/ Mil Med Res . 2015; 2: 4.
Online veröffentlicht am 17. Februar 2015

Abstrakt Einführung

Mikrowellen (MW), elektromagnetische Wellen mit Frequenzen im Bereich von 300 MHz bis 300 GHz, sind in den Bereichen Telekommunikation, Landwirtschaft, Transportwesen, Medizin und Militär weit verbreitet. Die Popularisierung von Mobiltelefonen, Computern, Haushaltsgeräten und anderen elektronischen Geräten hat das Lernen, Arbeiten und den Zugang zu Unterhaltung wesentlich erleichtert. Mit der intensiven Entwicklung verschiedener fortschrittlicher militärischer Waffenausrüstung, wie Frühwarnflugzeugen, elektronischen Störsendern und neuem Radar, sind Soldaten immer komplizierten Umweltfaktoren ausgesetzt, einschließlich intensiver und komplexer MW-Strahlung. Als viertgrößte Verschmutzungsquelle nach Luft, Wasser und Lärm verursacht MW – Strahlung viele biologische Wirkungen

[ 1]. Das Gehirn ist das empfindlichste Zielorgan für MW-Strahlung, bei der mitochondriale Schädigung früher und stärker auftritt als in anderen Organen. Studien über die Auswirkungen von MW-Strahlung auf den Energiestoffwechsel im Gehirn haben große Besorgnis ausgelöst.

Rezension

Biologische Effekte der MW-Strahlung

Die biologischen Effekte von MW-Strahlung lassen sich in zwei Arten unterscheiden: thermische und nicht-thermische Effekte [ 2 , 3]. Beides ist vorhanden, wobei thermische Effekte bei hoch- und hochfrequenten MW-Strahlung dominieren und nicht-thermische Effekte bei geringer MW-Leistung überwiegen [ 4 ]. MW-Strahlung

hat vielfältige Auswirkungen auf viele Systeme innerhalb eines Organismus, einschließlich des nervösen [ 5 – 7 ], endokrinen [ 8 ], kardiovaskulären [ 9 ],

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immunologischen [ 10 , 11 ], reproduktiven [ 12 – 14 ] und hämatopoetischen [ 15] Systeme. Das Gehirn benötigt immer eine hohe Sauerstoff- und Energieaufnahme, um regelmäßige Funktionen zu erhalten. Daher ist dieses Organ empfindlich gegenüber nichtinfektiösen Reizen wie ionisierender Strahlung und Hypoxie

[ 16 , 17 ]. Forschungen aus unserer Gruppe und von anderen haben gezeigt, dass Mikrowellenstrahlung hippokampale Strukturen in Ratten schädigt, die Langzeitpotenzierung beeinträchtigt, Neurotransmitterkonzentrationen verringert, synaptische Vesikel in der Anzahl reduziert und zu Gedächtnisstörungen führt

[ 5 , 18 , 19 ]. Daher wird das Gehirn allgemein als das empfindlichste Zielorgan für MW-Strahlung angesehen.

Zu den schädlichen Auswirkungen von MW-Strahlung auf das Gehirn gehören Hirnfunktionsstörungen und Hirnstrukturschäden. Eine epidemiologische Untersuchung ergab, dass MW-Strahlung zu menschlicher Erschöpfung, Kopfschmerzen, Erregung, Träumen, Gedächtnisverlust und anderen Symptomen einer Neurasthenie führte [ 20 ]. Darüber hinaus wurden bei Ratten nach MW- Strahlung Lern- und Gedächtnisfähigkeiten beeinträchtigt, die durch das Morris- Wasserlabyrinth bestimmt wurden [ 5 , 6 , 21 , 22 ]. MW-Strahlung kann auch zu neuronaler Schrumpfung, nuklearer Kondensation, mitochondrialer Schwellung, einem expandierten endoplasmatischen Retikulum, Veränderungen der synaptischen Lücken und erweiterten vaskulären endothelialen Verbindungen führen, wo mitochondriale Verletzung früher und stärker auftrat [ 5 ,21 , 23 – 25 ].

Merkmale des Energiestoffwechsels im Gehirn

Im menschlichen Körper hat das Gehirn den größten Sauerstoffbedarf und ist anfällig für Störungen im Energiestoffwechsel, der durch seine hohe Stoffwechselrate, hohen Sauerstoffverbrauch und geringe Energiereserven bestimmt wird. Mitochondrien sind die Schlüsselstellen der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) und der Synthese von Adenosintriphosphat (ATP). Die Redoxenzyme und die an der Atmungskette beteiligten Coenzyme liegen in der mitochondrialen inneren Membran in unmittelbarer Nähe. Elektronen, die durch die Atmungskette laufen, treiben Protonen von der Matrixseite zur zytoplasmatischen Seite über die mitochondriale innere Membran. Wenn Protonen entlang des Konzentrationsgradienten refluxieren, wird die freigesetzte Energie von der ATP-Synthase verwendet, um die ATP-Synthese zu katalysieren.

Neben der Energieumwandlung spielen Mitochondrien auch eine wichtige Rolle, etwa bei der Regulation von Apoptose und Ca 2+ -Speicherung. Mitochondrien sind nicht nur der Ausgangspunkt vieler Signaltransduktionswege, sondern auch das Ziel.

Auswirkungen von MW-Strahlung auf den mitochondrialen Energiestoffwechsel

MW-Strahlung ist schädlich für den Energiestoffwechsel im Gehirn. Intrinsisch sind

Neuronen extrem empfindlich auf eine reduzierte ATP-Verfügbarkeit. Als Hauptquelle

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von Energie sind Mitochondrien anfällig für durch MW-Strahlung induzierte Verletzungen. Wang et al . [ 26 ] exponierten Affen MW-Strahlung mit mittleren Leistungsdichtenvon5mW/cm2 und11mW/cm2für10sund4,68μW/cm2 für 12 h / d für 30 d kumulativ. Abnormalitäten in mitochondrialen Funktions-Metaboliten im Urin, wie Bernsteinsäure, Zitronensäure und 2-Keto-Glutarsäure, wurden nach einem einzelnen Strahlungsereignis von 5 mW / cm 2 und 11 mW / cm 2 und nach einer langen Zeit induziert Strahlung von 4,68 μW / cm 2durch Metabolomics die Überempfindlichkeit der Mitochondrien für MW-Strahlung.

Auswirkungen von MW-Strahlung auf die mitochondriale Struktur

MW-Strahlung führt zu mitochondrialen Strukturschäden, die hauptsächlich als mitochondriale Schwellung und Kavitation sowie als desorganisierte, gebrochene und spärliche Cristae beobachtet werden.

In gewissem Maße beeinflusst MW-Strahlung die Mitochondrien strukturell in einer dosisabhängigen Weise. Zhaoet al . [ 5 ] exponierten männliche Wistar-Ratten MW- Strahlung mit durchschnittlichen Leistungsdichten von 2,5, 5 und 10 mW / cm 2mit den spezifischen Absorptionsraten (SAR) von 1,05, 2,1 bzw. 4,2 W / kg für 6 min / d für 30 Tage Im Hippocampus der MW-exponierten Ratten waren die Mitochondrien geschwollen und vakuolisiert, und die Cristae waren ungeordnet und weniger zahlreich. Darüber hinaus tendierten diese ultrastrukturellen Veränderungen in den Mitochondrien im Vergleich zur ansteigenden SAR stärker. Xieet al . [ 27 ] exponierten männliche Wistar-Ratten für 1 h MW-Strahlung bei mittleren Leistungsdichten von 3 und 30 mW / cm 2, beziehungsweise. In den Mitochondrien des Hippocampus oder cerebralen Cortex in der 3 mW / cm 2 -Gruppe traten keine signifikanten Veränderungen auf , während die Mitochondrien in der 30 mW / cm 2 – Gruppe geschädigt wurden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Grad an mitochondrialer Strukturschädigung innerhalb eines bestimmten Bereichs positiv mit der Dosis der MW-Strahlung korreliert.

MW-strahlungsschädigende mitochondriale Strukturen gehorchen einer Zeit- Wirkungs-Beziehung. Xieet al . [ 27 ] exponierten männliche Wistar-Ratten MW- Strahlung (30 mW / cm 2 , Dauer: 1 h). Unmittelbar nach der Bestrahlung zeigte die Ultrastruktur der Mitochondrien eine leichte Störung im Rattenhippocampus und in der Großhirnrinde; 3 Stunden nach der Bestrahlung nahm die sichtbare Schwellung der Mitochondrien signifikant zu und die Cristae wurden desorganisiert, gebrochen und spärlich; 24 Stunden nach der Bestrahlung wurde eine mitochondriale Degeneration beobachtet, die durch myelinähnliche Strukturen und gelegentlich dichte Ablagerungen in den Mitochondrien nachgewiesen wurde. Kurz gesagt, wurden ultrastrukturelle Veränderungen in den Mitochondrien des Rattenhirns innerhalb von 24 Stunden nach der Exposition bei Bestrahlung mit 30 mW /

cm 2 MW induziert .
Langfristige und niedrig dosierte kumulative MW-Strahlung führt zu signifikanten

Schäden in den Mitochondrien. Dong et al . [ 21 ] exponierten SD-Ratten MW-

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Strahlung (4,68 μW / cm 2 , 12 h / d, Dauer: 30 d), was zu ähnlichen strukturellen Veränderungen, wie Schwellung und Kavitation in den Mitochondrien des strahlenexponierten Rattenhippocampus führte Zerebraler Kortex.

Auswirkungen von MW-Strahlung auf den mitochondrialen Energiestoffwechsel

Reduzierter ATP-Gehalt

Als das “Zellkraftwerk” besteht die wichtigste Funktion von Mitochondrien darin, Energie für die Zelle bereitzustellen; Daher ist der intrazelluläre ATP-Gehalt einer der direktesten und objektivsten Indikatoren bei der Bewertung der mitochondrialen Funktion. Zusätzlich hydrolysieren ATPasen ATP zu ADP und geben die in ATP gespeicherte Energie frei.

Bestimmte Dosen von MW-Strahlung verursachen eine Verringerung der mitochondrialen ATP-Synthese. Zhaoet al . [ 25 ] exponierten männlichen Wistar- Ratten gegenüber gepulster MW-Strahlung (30 mW / cm 2 , Dauer: 5 min). Die Ergebnisse zeigten, dass der Gehalt an mitochondrialem ATP im Hippocampus von MW-exponierten Ratten 3 d nach der Bestrahlung auf das niedrigste Niveau fiel und 7 d nach der Bestrahlung wiedererlangte, während die Aktivität der ATPasen 3 d nach der Bestrahlung stark erhöht und 7 d wiederhergestellt wurde nach der Bestrahlung, was auf eine ausgleichende Rolle dieser negativen Rückkopplungsregelung hindeutet. Sanderet al . [ 28 ] ausgesetzt SD – Ratten –

Strahlung mit einer Frequenz von 591 MHz bei einer mittleren Leistungsdichte von 13,8 mW / cm bis MW 2, die eine verminderte Verfügbarkeit von ATP induzierten, was zu Störungen des Energiestoffwechsels im Gehirn führte.

Verminderte Succinat-Dehydrogenase (SDH) -Aktivität

Als eines der Schlüsselenzyme des mitochondrialen Energiestoffwechsels bindet SDH an die innere Mitochondrienmembran und katalysiert die Dehydrierung von Succinat, um letztendlich ATP zu erzeugen, wobei es eine Brücke zwischen dem Krebszyklus und OXPHOS bildet.

MW-Strahlung verringert die Aktivität von SDH. Zhaoet al . [ 25 ] exponierten männlichen Wistar-Ratten gegenüber gepulster MW-Strahlung (30 mW / cm 2 , Dauer: 5 min). Die SDH-Aktivität des MW-exponierten Rattenhippocampus nahm 6 Stunden nach der Bestrahlung signifikant ab, was zu Anomalien im mitochondrialen Energiestoffwechsel führte. Wang et al . [ 29 ] freiliegenden Wistar Ratten Hochleistungsmikrowellen (HPM) Strahlung von 10, 30 und 100 mW / cm 2 für 5 min, respectively. Sie fanden auch reduzierte SDH-Aktivität, die in jeder Expositionsgruppe vorhanden war, die 7 Tage nach der Bestrahlung wiedergefunden wurde. In einer weiteren Studie wurden männliche Wistar-Ratten einer MW-Strahlung von 30 mW / cm 2 ausgesetztfür 15 min. Die SDH-Aktivität des MW-exponierten Rattenhippocampus änderte sich 14 d nach der Bestrahlung nicht signifikant, was

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darauf hindeutet, dass der durch MW-Strahlung induzierte Rückgang der SDH- Aktivität unter bestimmten Bedingungen reversibel ist [ 23 ].

Unterdrückte Cytochrom-c-Oxidase (COX) -Aktivität

COX ist in die mitochondriale innere Membran eingebettet und ist der terminale Komplex der mitochondrialen Elektronentransportkette. Als ein weiteres Schlüsselenzym des mitochondrialen Energiestoffwechsels ist COX das einzige Enzym, das Elektronen zu Sauerstoff transportiert, um H 2 O und ATP zu produzieren [ 30 , 31 ]. Es wird angenommen, dass 90% des intrazellulären molekularen Sauerstoffs durch COX genutzt wird [ 32 ].

Bestimmte Dosen von MW-Strahlung beeinflussen die Aktivität von COX
negativ. Wang et al . [ 33 ] setzten Primärkulturen von zerebralen kortikalen Neuronen von Wistar-Ratten einer kontinuierlichen MW-Strahlung von 900 MHz mit SARs von 0,38, 0,76, 1,15, 2,23 bzw. 3,22 W / kg für 2 h / d für 4 bis 6 Tage aus. Die Ergebnisse zeigten, dass die toxischen Effekte der MW-Strahlung auf die COX- Aktivität akkumulierten und dass eine dosisabhängige Beziehung
bestand. Xionget al . [ 34 ] verwendet , MW – Strahlung von 30 mW / cm 2 männliche Wistar – Ratten zu bestrahlen. Die verminderte COX-Aktivität und die reduzierte Expression von COX I / IV-mRNA und COX I-Protein wurden nach MW-Bestrahlung gefunden, was zeigt, dass MW-Strahlung die COX-Aktivität auf mehreren Ebenen beeinflusst.

Mögliche Mechanismen bei MW-Strahlung induzierten Störungen im mitochondrialen Energiestoffwechsel

Durch die schnelle Entwicklung moderner molekularbiologischer Techniken sind Studien zu den Mechanismen der biologischen Effekte von MW-Strahlung auf zellulärer und molekularer Ebene möglich. In diesem Abschnitt werden die möglichen Mechanismen MW-Strahlung-induzierter Störungen des Energiestoffwechsels im Gehirn aus sieben Aspekten untersucht, darunter Genexpression, Mitochondrienmembran, Apoptose, oxidativer Stress (OS), Ca 2+ -Überladung, mitochondriale DNA und die beteiligten Signaltransduktionswege.

Veränderte Genexpression in der Atmungskette

MW-Strahlung verursacht eine abnormale Expression der Gene, die die Atmungskette codieren, was zu Störungen des Energiestoffwechsels im Gehirn
führt. Zhaoet al . [ 35 ] exponierten männliche Wistar – Ratten mit gepulster MW – Strahlung (30 mW / cm 2), Dauer: 5 min). Es wurden mehrere Gene differentiell 6 Stunden nach der Bestrahlung im Hippocampus der Ratte exprimiert (hochreguliert: syn1, ptprj, CD74 und MHCII; herunterreguliert: ttr, enpp2, folr1, cdh22, spata2, spp1, calb2, tacl und dnpi), von denen einige ( syn1, ttr und enpp2) sind eng mit der Stoffwechselfunktion der Mitochondrien verwandt. Als neuraler metabolischer Marker

enthält COX 13 Untereinheiten, wobei COX I-III von mitochondrialen Genen und die anderen 10 Untereinheiten von nukleären Genen kodiert werden. COX I bildet das

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katalytische Zentrum und COX IV reguliert die Enzymaktivität, die auf den ATP / ADP-Gehalt reagiert [ 36 , 37 ]. Zhaoet al . [ 38 ] fanden heraus, dass männliche Wistar – Ratten gepulster MW – Strahlung ausgesetzt werden (30 mW / cm 2), Dauer: 5 min) reduzierte 6 Stunden nach der Bestrahlung die Expression von COX I / II – mRNA und erhöhte die Expression von COX IV – mRNA in 1 d, wobei beide in 3 bis 7 Tagen tendierten, was die verringerte COX – Aktivität in der Maus zeigt Rattenhippocampus trat nach MW-Strahlung von 30 mW / cm 2 auf . Xieet al . [ 39 ] exponierten Ratten eine akute MW-Strahlung für 1 h bei mittleren Leistungsdichten von3mW/cm2 bzw.30mW/cm2 .NachMW-Bestrahlungvon3mW/cm2 für0,3 und 24 h wurden keine signifikanten Veränderungen der mRNA-Expressionsspiegel von COX I und COX IV in der Großhirnrinde und im Hippocampus der Ratte gefunden. Nach MW-Strahlung von 30 mW / cm 2Für 0, 3 und 24 h nahm die COX I- mRNA-Expression in der Hirnrinde und im Hippocampus der Ratte signifikant ab, aber es wurde keine signifikante Änderung der COX-IV-mRNA-Expressionslevels gefunden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MW-Strahlung das COX-I-Gen, das von mitochondrialer DNA kodiert wird, in der Hirnrinde und im Hippocampus von Ratten dosisabhängig herunterreguliert. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Veränderungen der Genexpression, die durch die MW-Strahlung verursacht werden, wichtige Faktoren für die mitochondriale Dysfunktion und das Versagen der Hirnleistung sind.

Beschädigte Mitochondrienmembran

Die Mitochondrienmembran ermöglicht es den Mitochondrien, relativ unabhängig zu sein und die Homöostase in ihrer inneren Umgebung aufrechtzuerhalten, und spielt eine wichtige Rolle bei der Energieumwandlung, der Signaltransduktion und dem Materialtransport. Eine Vielzahl von Enzymen, die eng mit dem Energiestoffwechsel verwandt sind, wie SDH und Komplex I-IV, binden an die

Mitochondrienmembran. Eine beschädigte Mitochondrienmembran führt als Schlüsselkomponente der ATP-Synthese zu einer verminderten Aktivität des Komplexes I / III und zu weiteren Störungen des Energiestoffwechsels [ 40 ].

Die strukturelle Schädigung der mitochondrialen Membran ist einer der wichtigsten Mechanismen der durch MW-Strahlung induzierten Störung des Energiestoffwechsels im Gehirn. Mitochondrien sind Organellen, die von einer Doppelmembran umhüllt sind, wobei die innere Membran Cristae bildet, die die Oberfläche der Mitochondrienmembran stark vergrößern. Da Biofilme Ziele von elektromagnetischer Strahlung sind [ 41 ], kann gefolgert werden, dass die strukturellen Eigenschaften von Mitochondrien ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber durch MW-Strahlung induzierten Verletzungen bestimmen.

Es gibt mehrere mögliche Wege, durch die MW-Strahlung die Mitochondrienmembran strukturell schädigen kann. Erstens hat die MW-Strahlung die Fähigkeit, die molekulare Rotation und Vibration zu verstärken und die

Kollisionsfrequenz zwischen Molekülen zu erhöhen, was zum Brechen chemischer Bindungen und somit zur Schädigung der mitochondrialen Membranstruktur führt

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[ 42 ]. Zweitens führt die MW-Strahlung zu einem signifikanten Anstieg der intrazellulären reaktiven oxidativen Spezies (ROS) und der Störung von antioxidativen Enzymen, die eine oxidative Modifikation biologischer Makromoleküle und mitochondriale Schäden verursachen [ 22 , 43 – 46 ]. Drittens verursacht MW- Strahlung intrazelluläres Ca 2+überladen und induziert mitochondriale Membranverletzungen durch die Aktivierung von Phospholipasen und Proteasen

[ 47 – 49 ].
Apoptotischer Tod von Nervenzellen

Während des durch MW-Strahlung induzierten Hirnschadens ist die Apoptose eines der Endresultate geschädigter Zellen. Die Apoptose zu blockieren, um die Wirkung von MW-Strahlung auf das Nervensystem zu lindern und neue Ziele für Prävention und Behandlung zu finden, ist von großem Wert.

Die MW-Strahlung induziert über den klassischen Mitochondrien-abhängigen Caspase-3-Weg die Apoptose neuraler Zellen . Zuo et al. [ 50 ] exponierten PC12- abgeleiteten neuronenähnlichen Zellen und Wistar-Ratten bei 2,856 GHz für 5 min bzw. 15 min bei einer durchschnittlichen Leistungsdichte von 30 mW / cm 2 . Die Ergebnisse zeigten 6 h nach MW-Exposition eine Chromatinkondensation und eine apoptotische Körperbildung in Nervenzellen. Darüber hinaus verringerte sich das mitochondriale Membranpotential (MMP) und die DNA-Fragmentierung nahm zu, was zu einem Anstieg des Prozentsatzes an apoptotischen Zellen führte. Außerdem nahm das Verhältnis von Bax / Bcl-2 und der Expression von Cytochrom c, gespaltener Caspase-3 und PARP zu. Kesariet al . [ 43] exponierten 45 Tage alte männliche Wistar-Ratten für 2 h Tag für 60 d mit einem Mobiltelefon, um die Wirkung der 3G-Handy-Exposition zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass MW- Strahlung, die von dem 3G-Mobiltelefon emittiert wurde, signifikant DNA- Strangbrüche im Gehirn induzierte. In der exponierten Gruppe wurden signifikante Zunahmen von Mikronuklei, Caspase-3 und Apoptose beobachtet. Mitochondriale Dysfunktion-vermittelte Cytochrom-c-Freisetzung und die anschließende Aktivierung von Caspasen wurden gefunden, die in den Prozess der Strahlung induzierten apoptotischen Zelltod beteiligt waren.

Oxidativen Stress

MW-Strahlung aktiviert den durch NADH-Oxidase vermittelten Anstieg von ROS, und wiederum schädigt exzessives ROS die Mitochondrien-Elektronentransportkette, die die Hauptquelle für ROS ist, was letztendlich einen Teufelskreis bildet und die Störungen im Energiestoffwechsel des Gehirns verschlimmert [ 13 , 51 –

54 ]. Deshmukh et al . [ 22 ] setzten Fischer-344-Ratten einer MW-Exposition (Frequenz von 900 MHz; SAR von 8,4738 × 10 -5) aus W / kg) in einer Gigahertz transversalen elektromagnetischen Zelle (GTEM) für 30 Tage (2 h / d, 5 d / Woche). Die Ergebnisse zeigten einen signifikanten Anstieg des OS, was durch die

Erhöhung der Spiegel von MDA (ein Marker der Lipidperoxidation), Proteincarbonyl (ein Marker der Proteinoxidation) und unveränderter Glutathion (GSH) -Gehalt im

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Blut bewiesen wurde. Somit zeigte die Studie, dass MW-Strahlung mit niedrigem Pegel zu OS führen konnte. Kesariet al . [ 44] exponierten 35 Tage alte Wistar-Ratten für 2 h pro Tag für eine Dauer von 45 Tagen mit einem Mobiltelefon, wobei der SAR- Wert 0,9 W / kg betrug. Die Ergebnisse zeigten einen signifikanten Anstieg des ROS- Spiegels, eine signifikante Abnahme der Glutathionperoxidase (GPx) und Superoxiddismutase (SOD) und einen Anstieg der Katalase- (CAT) Aktivität. Darüber hinaus wurde berichtet, dass die Inhibierung von OS und die Entfernung von ROS einen großen therapeutischen Effekt auf durch MW-Strahlung induzierte Hirnschäden hatten [ 55 , 56 ]. Zusammengenommen spielt eine übermäßige ROS eine wichtige Rolle bei der MW-Strahlung induzierten Schädigung des Energiestoffwechsels im Gehirn.

Übermäßiges ROS ist schädlich für den Energiestoffwechsel im Gehirn. Erstens kann ein überhöhter ROS-induzierter DNA-Bruch (nukleäre und mitochondriale DNA) einer der Hauptgründe für durch MW-Strahlung induzierte Störungen des Energiestoffwechsels im Gehirn sein [ 43 , 44 , 57 – 59 ]. Kesariet al . [ 43 ] hatten 45 Tage alte männliche Wistar-Ratten für 2 h pro Tag für 60 Tage einem Mobiltelefon ausgesetzt und fanden heraus, dass der ROS-Gehalt eine positive lineare Korrelation mit DNA-Schäden aufwies. Eine andere Studie zeigte, dass Vorbehandlung mit Radikalfängern in der Lage war, MW-Strahlung-induzierte DNA- Schäden zu blockieren [ 59 ]. Zweitens waren übermäßige Spiegel von ROS eng mit der Apoptose neuraler Zellen verbunden, wie zuvor beschrieben [43 , 44]. Drittens wird angenommen, dass eine erhöhte ROS-induzierte übermäßige Aktivierung eines oder mehrerer Signalwege als zweiter Bote eine wichtigere Rolle bei der Zellschädigung und nicht bei der oxidativen Modifikation spielt [ 60 , 61 ]. Die Rolle von ROS bei MW-Strahlung-induzierten Hirnschäden muss weiter untersucht werden.

Ca 2+ Überladung

Unter normalen Umständen ist die extrazelluläre freie Ca 2+ -Konzentration viel höher als die intrazelluläre Konzentration und mehr als 90% des intrazellulären Ca 2+ sind im endoplasmatischen Retikulum und den Mitochondrien gespeichert. Daher kann ein leichter Zustrom von Ca 2+ zu einem starken Anstieg der Konzentration von cytoplasmatischem Ca 2+ führen und eine Reihe von physiologischen Reaktionen auslösen.

Vermehrtes cytoplasmatisches Ca 2+ existiert während des Prozesses der durch MW- Strahlung induzierten Hirnschädigung. Yang et al . [ 47 ] setzten Primärkulturen von Hippocampusneuronen von Ratten für 5 min bei einer durchschnittlichen Leistungsdichte von 10 mW / cm 2 MW-Strahlung aus . Die Ergebnisse zeigten einen signifikanten Anstieg des cytoplasmatischen Ca 2+ unmittelbar nach der

Bestrahlung. Luet al . [ 48 ] freiliegenden primäre Kulturen von Gliazellen bis 2450 MHz für 2 h / d 3 d bei einer durchschnittlichen Stromdichte von 4 mW / cm 2 . Ein

erhöhtes intrazelluläres freies Ca 2+ wurde ebenfalls gefunden.

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Ca 2+ Überladung führt zu Störungen des Energiestoffwechsels im Gehirn. Eine übermäßige Aktivierung der mitochondrialen Permeabilitäts-Übergangspore (mPTP), verursacht durch Ca 2+ -Überladung , kann ein wichtiger Grund sein. Studien haben gezeigt, dass die durch Ca 2+ -Überlastung induzierte Aktivierung von mPTP zu mitochondrialer Schwellung und Fragmentierung führt [ 62 , 63 ]. Wenn zusätzlich mPTP übermäßig aktiviert wird, erhöht sich die Permeabilität der mitochondrialen Membran, MMP verschwindet, die Atmungskette wird von OXPHOS entkoppelt und die ATP-Synthese hört auf [ 64 , 65 ]. Zusätzlich Ca 2+ist ein wichtiger intrazellulärer second messenger, der eine Vielzahl von Signalmolekülen wie PKC, AC und cAMP- PDE aktivieren kann. Die Rolle, die Ca 2+ während MW-Strahlung-induzierter mitochondrialer Verletzung spielt, verdient eine gründlichere Forschung.

Beeinträchtigte mitochondriale DNA

Mitochondriale DNA (mtDNA) kodiert 13 Untereinheiten des Atmungskettenkomplexes und 22 tRNA und 2 rRNA von Mitochondrien und ist von äußerster Wichtigkeit für die OXPHOS- und ATP-Synthese. Der mitochondriale Transkriptionsfaktor A (mtTFA), ein Schlüsselfaktor, der von nukleären Genen kodiert wird, die an der Regulation der mtDNA beteiligt sind, spielt eine wichtige Rolle bei der Integrität, Selbstreplikation und Reparatur von mtDNA nach dem Transport vom Zytoplasma zu den Mitochondrien [ 66 ].

MW-Strahlung kann mtDNA brechen oder die Expression von mtDNA verändern, was zu einer verminderten ATP-Produktion führt. Erstens fehlt mtDNA mit der Struktur eines Doppelhelix-Rings der Schutz von Proteinbindungs- und Reparatursystemen und ist viel anfälliger für äußere Stimuli, wie MW-Strahlung, als die Kern-DNA. MW-Strahlung kann nukleare DNA-Stränge brechen [ 43 , 44 , 57 –

59 ]. Darüber hinaus hat ROS die Fähigkeit, mtDNA-Mutationen zu induzieren und Barrieren bei der OXPHOS- und ATP-Bildung zu erzeugen [ 67]. Die Auswirkungen der durch MW-Strahlung induzierten mtDNA-Schädigung auf den Energiestoffwechsel im Gehirn erfordern jedoch noch weitere

Untersuchungen. Zweitens muss mtTFA richtig vom Zytoplasma in die Mitochondrien übertragen werden, um zu funktionieren, was zu mitochondrialer Dysfunktion führt, wenn dieser Prozess durch MW-Strahlung gestört wird. Xieet al . [ 27 ] exponierten männliche Wistar-Ratten MW-Strahlung (30 mW / cm 2 , Dauer: 1 h). Die Expression von mtTFA-mRNA im Rattenhippocampus und in der Großhirnrinde nahm zu, was auf den reduzierten ATP-Gehalt innerhalb einer möglichen negativen Rückkopplungsregulation reagierte. Xuet al . [ 68] exponierten Primärkulturen kortikaler Neuronen von neonatalen Ratten gegenüber MW-Strahlung (Häufigkeit und Leistungsdichte unbekannt). Die Expression von mtTFA-mRNA und -protein erhöhte sich, aber das neue mtTFA inhibierte den Einfluss von MW-Strahlung auf den Energiestoffwechsel nicht. In einer weiteren Studie bestätigten diese Autoren die inhibitorische Wirkung von MW-Strahlung auf den Transport von mtTFA aus dem Zytoplasma in die Mitochondrien mittels Isotopenmarkierungstechnik, was der

Hauptgrund für die durch MW-Strahlung induzierte ATP-Abnahme sein könnte [ 69 ].

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Signalwege beteiligt

Es gibt viele Signalwege, die am Prozess der durch MW-Strahlung induzierten mitochondrialen Dysfunktion beteiligt sind, einschließlich des Phosphatidylinositol-3- Kinase- (PI3K) und des Mitogen-assoziierten Proteinkinase- (MAPK-) Wegs, die adaptive Reaktionen von Zellen sind, die zelluläre Funktionen regulieren fördern ihr Überleben.

PI3K / Akt-Weg

Es gibt genügend Belege dafür, dass der PI3K / Akt-Signalweg, eine anti- apoptotische Kaskade der Prosurvival-Kinase-Signalkaskade, eine zentrale Rolle beim Überleben der Zellen spielt [ 70 , 71 ]. Hypoxie-induzierbarer Faktor-1 & agr; (HIF-1 & agr;), ein physiologischer Schlüsselsensor des Sauerstoffgehalts in den meisten Säugerzellen, spielt eine wichtige Rolle beim Überleben der Zellen, beim Glukosestoffwechsel und bei der Stoffwechselanpassung durch Regulation der Expression seiner Zielgene [ 72 – 75 ]. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Aktivierung von HIF-1α durch den PI3K / Akt / mTOR-Signalweg eine wichtige Rolle bei der Neuroprotektion spielt [ 76 , 77 ].

Dem PI3K / Akt-Signalweg wurde während des durch MW-Strahlung induzierten Hirnschadens eine große Bedeutung beigemessen, und die Aktivierung von HIF-1 & agr ;, einem Schlüsselzielmolekül des PI3K / Akt-Signalwegs, ist in der Lage, den beeinträchtigten mitochondrialen Energiestoffwechsel wiederherzustellen verursacht durch MW-Strahlung in gewissem Umfang. Wang et al . [ 78 ] exponierten Ratten akute MW-Strahlung für 5 min bei mittleren Leistungsdichten von 30 bzw. 100 mW / cm 2 . Die Expression von HIF-1 & agr; -mRNA und -protein im Hippocampus der Ratte und in der Großhirnrinde nahm nach 6 Stunden bis 1 Tag nach der Bestrahlung signifikant zu. In einer anderen Studie wurden männliche Wistar-Ratten 30 d (6 min / d, 5 d / Woche) bei mittleren Leistungsdichten von 2,5, 5 und 10 mW / cm 2 einer gepulsten MW-Strahlung ausgesetzt, beziehungsweise. Die Expression von HIF-1α-mRNA und -Protein in den Hippocampus-Neuronen der Ratte erhöhte sich 14 Tage bis 1 Monat nach der Bestrahlung in den 2,5- und 5-mW / cm 2 – Gruppen, nahm jedoch in der 10 mW / cm 2 -Gruppe ab [ 79 ]. Somit tritt eine HIF-1α- Hochregulation sowohl nach einer einzelnen akuten als auch nach einer Langzeit- MW-Strahlung auf. Es ist jedoch nicht klar, ob das aktivierte HIF-1 & agr; für die durch MW-Strahlung beeinträchtigten Zellen hilfreich ist. Zhaoet al . [ 24 ] freiliegenden PC12-derived neural-ähnliche Zellen Strahlung von 30 mW / cm bis MW 2für 5 min. HIF-1α-Überexpression schützte die Mitochondrien vor Verletzungen durch Erhöhung der ATP- und MMP-Spiegel, während HIF-1α-Stummschaltung MW- induzierte mitochondriale Schäden förderte. PI3K-Signalaktivierung wurde für die MW-induzierte HIF-1α-Aktivierung und Schutzantwort benötigt. Obwohl HIF-1α ein vielversprechendes therapeutisches Ziel für MW-Strahlenschäden darstellt, wie HIF- 1α reguliert wird und was seine effektiven Ziele in den Mitochondrien sind, bleibt unbekannt.

MAPK-Weg

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MAPK, das aus verschiedenen Genprodukten besteht, die in einer Vielzahl von Transkriptionsfaktoren enden, die an Überleben, Proliferation und Zelltod beteiligt sind, reguliert abhängig von der Stärke des Stimulus das Gleichgewicht zwischen Zellüberleben / -differenzierung und Zelltod / Apoptose [ 80 ]. Die drei MAPK- Unterfamilien umfassen extrazelluläre regulierte Proteinkinase (ERK), c-jun N- terminale Kinase / stressaktivierte Proteinkinase (JNK / SAPK) und p38MAPK.

Die ERK-Signal-vermittelte Hochregulation von HIF-1α schützt vor mitochondrialer Dysfunktion, die durch MW-Strahlung verursacht wird. Zhaoet al . [ 24 ] setzten PC12-abgeleitete neural-ähnliche Zellen einer MW-Strahlung von 30 mW / cm 2 für 5 Minuten aus. Hemmung von p-Erk1 / 2 förderte eine MW-induzierte Abnahme der ATP- und MMP-Spiegel und induzierte eine verminderte Expression von HIF-1α, was zeigt, dass ERK-Signalgebung am Schutzmechanismus gegen MW-induzierte mitochondriale Schädigung beteiligt war.

p38MAPK, bekannt als Zelltod-MAPK-Signalweg, ist an der durch MW-Strahlung induzierten neuralen Zellapoptose beteiligt. p38MAPK induziert Apoptose durch Regulation der Konformationsänderungen und anschließende Oligomerisierung von Bax, die Dissipation von MMP und die Freisetzung von Cytochrom c aus Mitochondrien [ 81 ]. Kesariet al . [ 43 ] exponierten 45 Tage alte männliche Wistar- Ratten für 2 Stunden pro Tag für 60 Tage mit einem Mobiltelefon, um die Wirkung der 3G-Mobiltelefon-Exposition zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die mobile 3G-Strahlung die Apoptose im Gehirn durch Aktivierung von p38MAPK induzierte, dem Weg der Haupt-Stressantwort.

Fazit

Bisher wurden die schädlichen Auswirkungen der MW-Strahlung auf die mitochondriale Struktur und Funktion erkannt, und Untersuchungen auf zellulärer und molekularer Ebene über die damit verbundenen Mechanismen haben ebenfalls Fortschritte gemacht, was eine Reihe möglicher molekularer Targets für die Prävention und Behandlung von MW-Strahlung ermöglicht vorgeschlagen werden.

In diesem Forschungsbereich gibt es folgende Probleme: (a) MW-Strahlung- induzierte Störungen des Energiestoffwechsels im Gehirn umfassen zahlreiche Parameter wie Dosis, Zeit und Häufigkeit, die weiter erforscht werden müssen; (b) die biologischen Wirkungen von MW-Strahlung sind weit verbreitet und betreffen verschiedene Signalwege, und die vorliegende Übersicht beschränkt sich auf die Untersuchung einzelner Signalwege und ist nicht in der Lage, die Auswirkungen von Übersprechen zwischen den verschiedenen Signalwegen zu analysieren; (c) es gibt keine spezifischen Marker für die Bewertung von MW-Strahlenschadenseffekten und keine wirksamen molekularen Ziele für die Prävention und Behandlung ihrer Verletzungen; (d) die Nachwirkungen MW-Strahlung-induzierter mitochondrialer Schäden sind noch unklar, und ihre Korrelation mit mitochondrialen neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, erfordert weiteres Studium. Der

11

Mangel an identischen Standards zwischen verschiedenen Labors schafft eine Barriere für die weitere Entwicklung und den Austausch von Informationen.

Zusammengefasst zeigt diese Übersicht über die Auswirkungen von MW-Strahlung auf den Energiestoffwechsel im Gehirn und die damit verbundenen Regulationsmechanismen, molekularen Marker, Arzneimittelziele und Präventionsmaßnahmen, dass die Forschungsanstrengungen in diesem Bereich fortgeführt werden müssen.

Danksagung

Abkürzungen

ATP Adenosintriphosphat

KATZE Katalase

CoQ Coenzym Q

COX Cytochrom-c-Oxidase

ERK Extrazelluläre regulierte Proteinkinase

FADH2 Reduziertes Flavinadenindinucleotid

GPx Glutathionperoxidase

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation von China (Nr. 81372926) unterstützt.

12

GSH Glutathion

GTEM Gigahertz transversale elektromagnetische Zelle

HIF-1α Hypoxie-induzierbarer Faktor-1α

HPM Hochleistungs-Mikrowelle

JNK c-jun N-terminale Kinase

MAPK Mitogen-assoziierte Proteinkinase

MMP Mitochondrien-Membranpotential

mPTP Übergangsporen der Mitochondrienpermeabilität

mtDNA Mitochondriale DNA

mtTFA Mitochondrialer Transkriptionsfaktor A

MW Mikrowelle

NADH Reduziertes Nicotinamidadenindinucleotid

13

OS Oxidativen Stress

OXPHOS Oxidative Phosphorylierung

PI3K Phosphatidylinositol-3-Kinase

ROS Reaktive oxidative Spezies

SAPK Stress-aktivierte Proteinkinase

SAR Spezifische Absorptionsrate

SDH Succinat-Dehydrogenase

SOD Hyperventilieren

Fußnoten

Konkurrierende Interessen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.

Autorenbeiträge

YH hat am Design mitgewirkt und die Daten gesammelt und analysiert. LZ und RP konzipierten die Überprüfung und halfen beim Entwurf des Manuskripts. Alle Autoren lesen und genehmigen das endgültige Manuskript.

Teilnehmerinformationen

14

Yan-Hui Hao, E-Mail: iuhanyoah18@361.moc . Li Zhao, E-Mail: zilyllil@361.moc .
Rui-Yun Peng, E-Mail: gnepnuyiur81@621.moc .

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