Kwart. Ortop. 2011, 1, str. 31, ISSN 1230-1043 - - - - - ZMIANY AKTYWNOŚCI DYSMUTAZY PONADTLENKOWEJ (Cu, ZnSOD) W KRWINKACH PŁYTKOWYCH EKSPONOWANYCH NA PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE EMITOWANE PRZEZ MONITORY LCD BADANIA IN VITRO CHANGES IN SUPEROXIDE DISMUTASE (Cu/ZnSOD) ACTIVITY IN BLOOD PLATELETS EXPOSED TO ELECTROMAGNETIC RADIATION EMITTED BY LCD MONITORS IN VITRO STUDIES Małgorzata Lewicka, Maria Dziedziczak-Buczyńska Ewa Ziemba-Gardyńska, Gabriela Henrykowska, Andrzej Buczyński Zakład Epidemiologii i Zdrowia Publicznego, Uniwersytet Medyczny w Łodzi; ul. Żeligowskiego 7/9, 90-752 Łódź Streszczenie: Promieniowanie elektromagnetyczne (PEM) jako czynnik środowiskowy negatywnie wpływający na organizm człowieka jest przedmiotem badań od końca lat 70. Od tego czasu doniesienia naukowe dowiodły, że różnorodne składniki i struktury komórkowe mogą stanowić docelową tarczę działania promieniowania elektromagnetycznego. Interesującym modelem badawczym, ze względu na pełnione w organizmie funkcje oraz wielorakie konsekwencje zaburzeń tych funkcji, są krwinki płytkowe. Jednym z zaburzeń powstającym pod wpływem PEM są zmiany metabolizmu tlenowego tych komórek przejawiające się wzrostem stężenia reaktywnych form tlenowych i zmianami aktywności enzymów antyoksydacyjnych, w tym dysmutazy ponadtlenkowej i katalazy. Celem pracy jest ocena wpływu promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez monitory ekranowe na aktywność enzymatyczną dysmutazy ponadtlenkowej (Cu, ZnSOD) w ludzkich krwinkach płytkowych. Zawiesinę płytek krwi poddawano działaniu PEM o częstotliwości 1 khz i natężeniu 150 V/m oraz 220 V/m przez 30 i 60 minut. Pomiar aktywności dysmutazy ponadtlenkowej wykazał jej spadek w stosunku do wartości wyjściowych. Największe zmiany w stosunku do wartości kontrolnych obserwowano przy ekspozycji krwinek płytkowych na pole o natężeniu 220 V/m przez okres 60-ciu minut. Po 30 minutach napromieniowania polem o tym samym natężeniu również odnotowano znaczny spadek aktywności tego enzymu (z x =3429 do x = 1383,01). Przy natężeniu 150 V/m mediana aktywności enzymatycznej dysmutazy ponadtlenkowej zmalała z wartości wyjściowych x =3429 do x =1818,96 (30 minutowa ekspozycja) oraz do x =1809,13 (60-minutowa ekspozycja). Uzyskane wyniki pozwalają na stwierdzenie, że badane PEM powoduje znaczne zmiany aktywności enzymatycznej jednego z enzymów obrony antyoksydacyjnej dysmutazy ponadtlenkowej. Summary: Electromagnetic radiation (EMR) as an environmental factor negatively affecting human body has been the subject of scientific research since the end of 70s. Scientific reports have proved that various components and cellular structures can become the target of electromagnetic radiation. 31
Kwart. Ortop. 2011, 1, str. 32, ISSN 1230-1043 - - - - - Blood platelets constitute an interesting experimental model due to their function in the human body and multiple consequences of the function disturbances. Among dysfunctions caused by electromagnetic radiation effect are changes in oxygen metabolism of these cells manifested by the increase in concentration of reactive oxygen species and by changes in antioxidative enzymes activities, including superoxide dismutase and catalase. The aim of the study was to assess the influence of electromagnetic radiation emitted by monitors on enzymatic activity of superoxide dismutase (Cu, ZnSOD) in human blood platelets. A suspension of human blood platelets was subjected to the activity of electromagnetic field (EMF) of 1 khz frequency, 150 V/m and 220 V/m strength for 30 and 60 minutes. The measurement of superoxide dismutase activity revealed its decrease in relation to control values. The highest decrease compared to initial values was observed when blood platelets were exposed to EMF of 220 V/m after 60 min. After 30 minutes of radiation with the same parameters a significant decrease in the enzyme activity was also noted (from x =3429 to x =1383,01). When the field strength was 150 V/m, a median of superoxide dismutase enzymatic activity decreased from control value of x =3429 to x =1818.96 (30 minute exposure) and to x =1809.13 (60 minute exposure). The achieved results allow to conclude that the investigated electromagnetic field causes significant changes in enzymatic activity of one of antioxidant defense enzymes the superoxide dismutase. Słowa kluczowe: promieniowanie elektromagnetyczne, dysmutaza ponadtlenkowa, monitory LCD Key words: electromagnetic radiation, superoxide dismutase, LCD monitors Wstęp Monitory ekranowe służą do prezentacji informacji w postaci graficznej lub tekstowej oraz kontroli wzrokowej informacji wprowadzanych przez użytkownika w czasie pracy z komputerem lub innym urządzeniem. Dotychczasowe monitory z lampą kineskopową CRT (Cathode Ray Tube) wypierane są przez monitory z ekranami ciekłokrystalicznymi LCD (Liquid Crystal Display) stanowiącymi integralną część komputerów przenośnych. W przedstawionych badaniach wykazano, że ze względu na zasadę działania monitorów LCD wytwarzają one niesinusoidalne pole elektromagnetyczne, z dominującą składową elektryczną, której parametry okazały się istotne pod względem wpływu na organizm ludzki. Parametry składowej elektrycznej to częstotliwość rzędu 1 khz oraz natężenie 150 V/m, co odpowiada odległości 30 cm od monitora i 220 V/m, odpowiadającemu odległości 15 cm od monitora. Dotychczasowe badania własne dotyczące wpływu promieniowania elektromagnetycznego wskazują na niekorzystne działanie tego czynnika na metabolizm tlenowy krwinek płytkowych. Niekorzystne zmiany stężeń reaktywnych form tlenu pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez monitory potwierdzają szkodliwość tego czynnika [1]. Reaktywne formy tlenu w warunkach homeostazy uwalniane są w ilościach fizjologicznych, odgrywając role mediatorów i regulatorów wielu procesów zachodzących w komórkach. Jednak pod wpływem różnych czynników (np. promieniowania elektromagnetycznego) może dojść do zwiększenia szybkości wytwarzania reaktywnych form tlenu, a co za tym idzie zaburzenia równowagi prooksydacyjno antyoksydacyjnej. 32
Kwart. Ortop. 2011, 1, str. 33, ISSN 1230-1043 - - - - - Takie zaburzenie określane jest jako stres oksydacyjny [2]. Podczas stresu oksydacyjnego białka obrony antyoksydacyjnej, czyli dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza i peroksydaza glutationowa nie nadążają kompensować niekontrolowanego wzrostu reaktywnych form tlenu, które reagują ze składnikami komórek organizmów żywych. Reakcje te mogą mieć niepożądane, a nawet groźne dla organizmów skutki. Do schorzeń, w których udział reaktywnych form tlenu został potwierdzony należą między innymi: astma, cukrzyca typu I, choroba Parkinsona [3], wodogłowie, zespół Downa, autyzm, urazy mózgu i nowotwory mózgu [4]. Ponadto badania dowiodły, że nowotwory często charakteryzują się obniżoną aktywnością dysmutazy ponadtlenkowej Cu, ZnSOD, regułą natomiast jest obniżenie aktywności innego rodzaju dysmutazy MnSOD [5]. Cel badań Badania miały na celu ocenę wpływu promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez monitory LCD (częstotliwość 1 khz i natężenie: 150 V/m oraz 220 V/m) na jeden z parametrów stresu oksydacyjnego aktywność enzymatyczną dysmutazy ponadtlenkowej. Materiał Materiał do badań stanowiła zawiesina ludzkich krwinek płytkowych o stężeniu 1x109 na cm 3 pozyskiwana na drodze manualnej aferezy z krwi pełnej. Preparat uzyskiwano ze Stacji Krwiodawstwa od honorowych dawców krwi, u których przeprowadzano badania internistyczne, a krew poddano badaniom laboratoryjnym. Materiał płytkowy transportowano do laboratorium w pojemniku z blachy transformatorowej, który ekranował preparat przed działaniem pola elektromagnetycznego. Metody badawcze Parametry pola elektromagnetycznego odwzorowano w warunkach laboratoryjnych. W wykonanym stanowisku, wykorzystywanym do napromieniowania krwinek płytkowych, źródłem pola elektromagnetycznego był kondensator płaski utworzony przez dwie koliste płyty miedziane umieszczone nad i pod wspornikiem z tworzywa sztucznego. Na wsporniku umieszczono 8 probówek polietylenowych z materiałem do badań. W trakcie badań każda probówka zawierała 3 ml preparatu krwinkowego. Na podstawie komputerowych badań symulacyjnych wykonanych w środowisku FEM wyznaczono średnicę płyt kondensatora, ich odległość oraz średnicę okręgu, na którego obwodzie rozmieszczono otwory na probówki. Na elektrody kondensatora, pomiędzy którymi umieszczono probówki z materiałem badawczym podano napięcie ze wzmacniacza separującego. Do wejścia wzmacniacza dołączono natomiast generator sygnałów arbitralnych typu 8010 firmy HAMEG wytwarzający sygnał napięciowy o przebiegu zgodnym z przebiegiem składowej elektrycznej pola emitowanego przez monitor LCD. Do pomiaru wartości natężenia składowej elektrycznej pola występującego pomiędzy płytami tworzącymi w stanowisku pomiarowym kondensator wykorzystano elektrometr typu EF100 firmy TRACER. Badany preparat poddawano działaniu pola elektromagnetycznego o różnym czasie (30 i 60 minut) oraz natężeniu 150 V/m, odpowiadającemu odległości 30cm od monitora i 220 V/m, odpowiadającemu odległości 15cm od monitora. W obu przypadkach częstotliwość wynosiła 1 khz. 33
Kwart. Ortop. 2011, 1, str. 34, ISSN 1230-1043 - - - - - Przed ekspozycją jak i bezpośrednio po niej, przeprowadzano badanie określonego parametru stresu oksydacyjnego, czyli aktywności dysmutazy ponadtlenkowej. Pomiaru dokonano przy pomocy spektrofotometru typu CARY 100 BIO firmy VARIAN przy długości fali 480 nm. Mierzono absorbancję próby kontrolnej co 1 minutę w temperaturze +25ºC przez 5 minut oraz absorbancje prób badanych. Wyniki Pomiar aktywności enzymatycznej dysmutazy ponadtlenkowej wykazał jej spadek w stosunku do wartości kontrolnych, zarówno po ekspozycji na pole o natężeniu 150 V/m, jak i 220 V/m niezależnie od czasu (rys.1). Największy spadek aktywności tego enzymu w stosunku do próby kontrolnej obserwowano po 60 minutowej ekspozycji na pole o natężeniu 220 V/m (z x =3429 do x =1077,43). Natomiast po 30-minutowym okresie ekspozycji na pole o tym natężeniu stwierdzono spadek aktywności enzymu z x =3429 do x =1383,01. Po 30-minutowym napromieniowaniu polem o natężeniu 150 V/m odnotowano spadek aktywności dysmutazy ponadtlenkowej z wartości wyjściowych x =3429 do x =1818,96. Po 60 minutowej ekspozycji na pole o tym natężeniu wartość aktywności zmalała do x =1809,13. Rysunek 1. Zmiany aktywności dysmutazy ponadtlenkowej pod wpływem działania pola elektromagnetycznego o różnych parametrach i różnym czasie. 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 kontrola ekspozycja 30min ekspozycja 60min ekspozycja 30min ekspozycja 60min 30cm 30cm 15cm 15cm średnia 3429 1818,96 1809,13 1383,01 1077,43 SD 1147,95 906,41 857,38 623,47 516,18 Dyskusja Obserwowane zmiany aktywności jednego z enzymów obrony antyoksydacyjnej dysmutazy ponadtlenkowej dowodzą, że pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego generowanego przez monitory LCD zachodzi proces niekontrolowanego wytwarzania reaktywnych form tlenu. 34
Kwart. Ortop. 2011, 1, str. 35, ISSN 1230-1043 - - - - - Odnotowany wówczas znaczny spadek aktywności dysmutazy ponadtlenkowej spowodowany jest prawdopodobnie zbyt dużą ilością reaktywnych form tlenu powstających na skutek promieniowania elektromagnetycznego. Wyniki badań wskazują także na zależność pomiędzy czasem ekspozycji i poziomem spadku aktywności dysmutazy ponadtlenkowej. W czasie dłuższej, 60-minutowej ekspozycji, spadek aktywności jest znaczniejszy, co świadczy o tym, że wraz ze wzrostem czasu napromieniowania dochodzi do coraz większego zaburzenia równowagi prooksydacyjno - antyoksydacyjnej. Z wyników badań wnioskować można także zależność między natężeniem pola a poziomem spadku aktywności enzymu. Im pole silniejsze (220V/m), tym spadek aktywności znaczniejszy, co w konsekwencji prowadzi do pogłębienia stresu oksydacyjnego. Obserwacje z badań własnych zgodne są z doniesieniami innych autorów. Phelan i wsp. również zaobserwowali w swoich eksperymentach spadek aktywności dysmutazy ponadtlenkowej spowodowany wzrostem reaktywnych form tlenu [6]. Niekorzystny wpływ pól elektromagnetycznych na metabolizm tlenowy komórki potwierdzają również badania nad oddziaływaniem PEM o częstotliwości 50 Hz i indukcji 1,2 i 3 mt na poziom reaktywnych form tlenu i enzymów antyoksydacyjnych. Wyniki tych badań wykazały istotne zmiany ich stężeń zależne od parametrów pola i czasu ekspozycji [7]. Badania nad wpływem pola elektromagnetycznego o częstotliwości 1000 Hz i indukcji magnetycznej 0,5 mt na aktywność enzymów obrony antyoksydacyjnej krwinek płytkowych wykazały także obniżenie aktywności dysmutazy ponadtlenkowej we wszystkich badanych przedziałach czasowych (30, 60 i 90 min.) [8]. Obniżenie aktywności dysmutazy ponadtlenkowej obserwowali również inni badacze, poddając działaniu promieniowania generowanego przez telefony komórkowe elementy morfotyczne krwi. Zarówno w erytrocytach, jak i krwinkach płytkowych oznaczono mniejsze poziomy enzymatycznej aktywności dysmutazy ponadtlenkowej przy ekspozycji na wyżej wymienione promieniowanie w różnych przedziałach czasowych [9]. Potwierdzone w licznych badaniach niekorzystne działanie promieniowania elektromagnetycznego o określonych parametrach na metabolizm tlenowy komórek, w tym spadku aktywności enzymów antyoksydacyjnych, których pula ulega zużyciu w reakcji z reaktywnymi formami tlenowymi generowanymi w nadmiernej ilości może polegać na przejściowej lub utrwalonej destabilizacji układów biologicznych. Liczne badania dowiodły, że zmiany spowodowane działaniem pola elektromagnetycznego na poziomie komórkowym mogą powodować różnorakie schorzenia i choroby. Najbardziej na działanie tego czynnika narażone są: układ krążenia, układ nerwowy, układ wydzielania wewnętrznego i układ limfatyczny [7, 10]. Szczególną uwagę poświęca się badaniom nad wpływem promieniowania elektromagnetycznego na powstawanie nowotworów. Opierając się na dotychczasowych wynikach badań Międzynarodowa Agencja do Spraw Badań nad Rakiem (IARC) zakwalifikowała pola elektromagnetyczne niskich częstotliwości jako prawdopodobnie powodujące nowotwory u ludzi (Grupa 2B) [11]. Piśmiennictwo 1. 1. Buczyński A., Pacholski K., Dziedziczak-Buczyńska M., Lewicka M., Henrykowska G.; Zmiany generacji wolnych rodników w krwinkach płytkowych eksponowanych na promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez monitory ekranowe, Polish Hyperbaric Research Nr 1 (30) 2010, 35-41. 35
Kwart. Ortop. 2011, 1, str. 36, ISSN 1230-1043 - - - - - 2. Sies H., Cadenas E.; Oxidative stress: damage to intact cells and organs, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B, Biol. Sci. 311, 1985, 617-631. 3. Adams J.D.J., Chang M.L., Klaidman L.; Parkinson s disease-redox mechanism, Curr. Med. Chem. 8, 2001, 809-814. 4. Granot E., Kohen R., Oxidative stress in childhood in health and disease states. Clin. Nutr., 2004; 23: 3 11. 5. Macmillan-Crow L.A., Cruthirds D.L.; Invited review: manganese superoxide dismutase in disease, Free Radic. Res. 34, 2001, 325-336. 6. Phelan A.M., Lange D.G., Kues H.A., Lutty G.A.; Modification of membrane fluidity in melanin containing cells by low level microwave radiation. Bioelectromagnetics 1992, 13, 131-146. 7. Canseven A.G., Coskun S., Seyhan N., Effects of various extremely low frequency magnetic fields on the free radical processes, natural antioxidant system and respiratory burst system activities in the heart and liver tissues. Indian. J. Biochem. Biophys. 2008, Oct. 45(5): 326-31 8. Buczyński A., Pacholski K., Talar J., Jerominko A., Dziedziczak-Buczyńska M. Ocena aktywności katalazy (CAT) i dysmutazy ponadtlenkowej (SOD-1) krwinek płytkowych eksponowanych na pole elektromagnetyczne emitowane w samochodach. Fizjot. Pol., 4, 4, 385, 2004 9. Moustafa Y., Moustafa R., Belacy A., Abou-El-Ela S., Ali F. Effects of acute exposure to the radiofrequency fields of cellular phones on plasma lipid peroxide and antioxidase activities in human erythrocytes. J. Pharm. Biomed. Anal. 26(4), 605-8, 2001. 10. 10. Jankowski W., Henrykowska G., Śmigielski J., Pacholski K., Dziedziczak- Buczyńska M., Kałka K., Buczyński A., Wpływ kształtu pola elektromagnetycznego na wybrane parametry metabolizmu tlenowego krwinek płytkowych badania in vitro, Pol. Merk. Lek., XXIV, 144, 2008. 11. IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans, Volume 80, non-ionizing radiation, Part 1: static and extremely low-frequency (ELF) electric and magnetic fields. Lyon, France: International Agency for Research on Cancer, 2002. 36 Adres do korespondencji: Małgorzata Lewicka ul. Żeligowskiego 7/9 90-752 Łódź