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Einleitung

1.1 Das Knochengewebe

1.1.1  Knochenstruktur und „Bone Remodeling“

Knochen ist mesenchymalen Ursprungs, seine Bildung wird durch das Alter und biophysikalische Zusammenhänge bestimmt. Zur Zeit des Wachstums entsteht Knochen durch Mineralisation von Knorpelgewebe, bei Erwachsenen wird er dort gebildet, wo es zu Dehnung und Deformation kommt.

Obwohl physikalisch fest, ist Knochen ein lebendes Gewebe (0.6% Zellen, 29.4% organische Matrix, 70% Mineralien), das permanenten Umbauprozessen („Bone Remodeling“) unterworfen ist. Diese Plastizität ermöglicht eine Adaptation an sich ändernde mechanische Belastungen. Dabei werden sowohl die innere Architektur als auch die äußere Form des Knochens verändert [1,2] und der Knochen auf diese Weise hinsichtlich Masse und Stabilität optimiert.

Diese Umbauprozesse können nur durch das Zusammenspiel der Knochen aufbauenden Osteoblasten und der resorbierenden Osteoklasten stattfinden. Wird dieses Gleichgewicht gestört, kommt es zu pathologischem Umbau.

Osteoblasten sind mesenchymalen Ursprungs und synthetisieren den organischen Bestandteil des Osteoids. Darunter versteht man ein kollagenes Stützgewebe, das Glykosaminoglycane und spezielle Kalziumbindende Glykoproteine enthält und durch Einlagerung von Mineralsalzen gefestigt wird. Osteoblasten weisen einen hohen Gehalt an rER, Vesikeln und Mitochondrien auf. Durch Matrixabscheidung und Mineralisation mauern sich die Osteoblasten zunehmend ein und werden dann als Osteozyten bezeichnet. Über Zell-Zell-Verbindungen, die in engen Kanälen (Canaliculi) liegen, ist eine Vielzahl von Zellen chemisch und elektrisch gekoppelt, so dass die Sensitivität und Selektivität im Vergleich zu isolierten Zellen erhöht ist [3].

Osteoklasten hingegen entstammen dem hämatopoetischen System und sind an den Stellen aktiver Knochenresorption zu finden. Ihre Ultrastruktur ist gekennzeichnet durch einen ausgeprägten Golgi-Apparat, Lysosomen, Vesikel und einer Vielzahl von Mitochondrien.

Insbesondere Osteoblasten und Osteozyten, teilweise aber auch Osteoklasten sind Zielorgane verschiedener Hormone, zu denen Parathormon, Kalzitonin, Östrogene, Kortikosteroide, Thyroxin und Vitamin-D zählen.

Gelenknah wird der Knochen aus einem schwammartigen Netzwerk von Knochenbälkchen (Spongiosa) gebildet, das eine günstigere Verteilung der Belastung ermöglicht. Die Ausrichtung der Knochenbälkchen entspricht dabei der Lage der Druck- und Zugtrajektorien. Mit zunehmender Entfernung vom Gelenk drängen sich die Knochenbälkchen zusammen und erreichen im Bereich der Röhrenknochen als Kompakta einen hohen Verdichtungsgrad.

1.1.2 Existenz und Charakteristik von Potentialdifferenzen im Knochen

Die moderne Anwendung elektromagnetischer Stimulation bei der Knochenheilung begründet sich auf die Tatsache, dass unter mechanischer Belastung in vitro und in vivo ein elektrisches Feld im Knochen erzeugt wird [4,5,6,7]. Daher ging man davon aus, dass diese endogen erzeugten Potentiale eine entscheidende Rolle im Prozess des „Bone Remodeling“ haben.

In Form von Verletzungspotentialen ist das Auftreten von stationären Potentialen schon länger bekannt, aber dieses Phänomen existiert auch an unverletztem, ausgewachsenem Knochen. Dort kommt es zu negativen Ladungsanhäufungen an den Enden eines langen Knochens gegenüber dem mittleren Schaft mit Potentialdifferenzen über 20 mV [8]. Im Fall von Verletzungen und in der Wachstumszone wird der gesamte Schaft negativ aufgeladen mit Extremwerten in der Nähe der Wachstumsplatten und der Bruchstelle. Die entstehende Potentialdifferenz beträgt ca. 2 mV. Verletzungspotentiale erscheinen sehr schnell, kehren aber nach etwa 2 Stunden auf den normalen Wert zurück. Durch diesen Vorgang sollen die Vorläuferzellen der Osteoblasten zur Differenzierung [Seite 8↓]angeregt werden. Bei verzögerter oder ausbleibender Frakturheilung fehlen diese Potentiale, was einen möglichen Therapieansatz liefert.

Belastungsabhängige Potentiale wachsen mit Größe und Frequenz der Belastung und können Feldstärken von 0.1 – 100 mV/m erzeugen. Zur Erklärung dieses Effekts wurden im Laufe der Zeit verschiedene Hypothesen herangezogen. Überwiegend historische Bedeutung besitzt die Entdeckung der Piezoelektrizität in trockenem Knochen [9,6]. Dadurch können einige 100 mV Potentialdifferenz entstehen [10]. Diese wird jedoch in physiologischer Umgebung durch Ionenrelaxationsprozesse sehr schnell (< 10 µs) abgeschirmt [11,12,13]. Die plausibelste Erklärung für die Existenz von Potentialen in feuchtem Knochen beruht auf der Entstehung von Strömungspotentialen, hervorgerufen durch die Bewegung einer Flüssigkeit über eine geladene Oberfläche [14]. Die Strömung selbst entsteht durch belastungsbedingte Druckgradienten in den Canaliculi und Haversschen Kanälen. Die daraus resultierende Ladungstrennung verursacht ihrerseits eine elektroosmotische Strömung, die der primären Strömung entgegen gerichtet ist. Die damit verbundene Stromdichte ist jedoch 105-mal kleiner. Strömungspotentiale liegen in der Größenordnung von einigen 100 µV. Durch eine Vielzahl von makroskopischen Messungen ergab sich ein Wert von 1 µV/µε (ε = Δl/l). Das bedeutet bei maximaler physiologischer Belastung (2000-3500 µε) eine Feldstärke von 1 V/m über der Knochenrinde mit einer dazugehörigen Stromdichte von 1-10 µA/cm2. In vivo ist aufgrund der hohen Leitfähigkeit des umgebenden Gewebes mit deutlich geringeren Feldstärken zu rechnen [15]. Die lokalen mikroskopischen Strömungspotentiale liegen jedoch aufgrund der mikroskopischen Struktur des Osteoids noch 1-2 Größenordnungen höher [16].

Aktivitäten wie Gehen dehnen bzw. stauchen den Knochen und verursachen endogene Potentiale mit einer Frequenz unter 10 Hz. Weitere Potentiale entstehen durch Kontraktionen des Muskelgewebes, das den Knochen umgibt [17]. Frequenzen, die durch die Haltemuskulatur erzeugt werden, liegen zwischen 20 und 30 Hz.

1.1.3  Mögliche Mechanismen des „Bone Remodeling“

Mechanische Belastung des Knochens erzeugt innerhalb der Canaliculi einen Druckgradient, der die extrazelluläre Flüssigkeit durch das Kanalsystem pumpt. Die erzeugte Strömung verursacht wiederum ein Strömungspotential. Gleichzeitig wird die Zellmembran der Osteozyten auch einer Scherkraft ausgesetzt. Die Verformung des Knochens selbst könnte außerdem Dehnungskräfte auf Osteoblasten und Osteozyten übertragen. Es gibt also verschiedene denkbare Erklärungen für den Prozess des „Bone Remodeling“. Aus der Existenz von belastungsabhängigen elektrischen Potentialen im Knochen wurde geschlossen, dass diese Phänomene eine physiologische Bedeutung haben und den Zusammenhang zwischen Form und Funktion des Knochens erklären können. Es wäre jedoch ebenso vorstellbar, dass diese Potentiale nur Begleiterscheinungen anderer, primär biochemischer Prozesse sind. So zeigen experimentelle Arbeiten verschiedener Gruppen, dass elektromagnetische Felder aber auch mechanische Stimulation durch Scherkraft oder Dehnung eine positive Wirkung auf Proliferation und Differenzierung von Osteoblasten haben [18,19,20]. Interessant ist, dass Ultraschall, der über mechanische Schwingungen hoher Frequenz ebenfalls Strömungspotentiale im Knochen erzeugt, auch günstig auf die Knochenheilung wirkt [21,22,23,24].

Bislang besteht jedoch keine Einigkeit darüber, ob für das „Bone Remodeling“ elektrische Potentiale oder die durch die Strömung selbst hervorgerufenen mechanischen Kräfte primär verantwortlich sind.

1.1.4 Therapeutische Anwendung elektromagnetischer Stimulation

Die allgemeine Hypothese, dass mechanisch induzierte elektrische Felder die funktionellen Anforderungen an die Knochenstruktur vermitteln, ist der Ausgangspunkt sowohl für die Forschung als auch für die Therapie durch elektromagnetische Felder [3,25,12]. Das begründet sich durch die Tatsache, dass einerseits ein dynamisches elektrisches Muster im Knochen existiert. Andererseits wurden bereits seit einigen Jahren Erfolge der medizinischen Anwendung berichtet. Dazu gehören verschiedenartige Wirkungen künstlich applizierter Felder, die in vitro[26,27,28,29,30], in vivo[31,32,33,34] und klinisch [35,36,37,38] festgestellt wurden.


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Gleichzeitig gibt es Publikationen über negative Effekte durch den Einsatz elektromagnetischer Felder am Knochen [39,40,41] und es stellt sich die Frage nach der Spezifität der Wirkung und der verwendeten Wellenform [42,43]. Da die entsprechenden Wirkungsmechanismen trotz langjähriger Untersuchungen immer noch ungeklärt sind, werden zu diesem Zweck die unterschiedlichsten Felder eingesetzt. Sie variieren in Frequenz, Feldstärke und Wellenform sowie Applikationsart und Anwendungsdauer. Die Optimierung der Parameter gestaltet sich schwierig, da mitunter widersprüchliche Ergebnisse erzielt werden und verschiedene Applikationsanordnungen kaum miteinander zu vergleichen sind.

Es besteht also ein Missverhältnis zwischen der ungeklärten Wirkungsweise und der etablierten klinischen Anwendung elektromagnetischer Felder.

Unter der Annahme, dass elektrische Potentiale am „Bone Remodeling“ beteiligt sind, sollte der therapeutische Einsatz elektromagnetischer Felder das zeitliche und räumliche Muster des Auftretens endogener Felder imitieren. Wie das Schema in Abb. 1-1.1 zeigt, verknüpft dieser Arbeitsansatz die Signalwege der natürlichen mechanischen und der künstlichen elektrischen Stimulation.

Transduktion11.1

Ursprünglich wurde versucht, endogene elektrische Felder durch die direkte Applikation von µA-Strömen über Elektroden oder über die Induktion von Wirbelströmen zu imitieren [44]. Obwohl DC-elektrische Stimulation Mitose und Aktivierung osteogener Zellen stimuliert [45], nimmt man an, dass diese Effekte durch elektrochemische Reaktionen an der Elektrode verursacht sind. Unter Gleichstrombedingungen steigt u.a. der lokale pH an und gelöster Sauerstoff wird verbraucht [46,47,48]. Hamanishi et al. [49] fanden durch implantierte Elektroden, die ein gepulstes elektrisches Feld übertragen, eine beschleunigte Mineralisation. Die Implantation der Elektroden birgt jedoch ein zusätzliches Risiko von Infektionen.

In jüngerer Zeit wurden zunehmend nichtinvasive Techniken eingesetzt, d.h. das elektrische Feld wurde durch externe Spulen magnetisch induziert oder über externe Kondensatorplatten kapazitiv eingekoppelt. Die Verteilung und Stärke des elektrischen Feldes im Gewebe ist dann aber stark von der Frequenz und den passiven elektrischen Eigenschaften des Gewebes abhängig. Zur Erläuterung dieser Problematik s. Kap. 1.2.1.

1.1.5 Signalwege im Knochen

Für den Prozess des „Bone Remodeling“ ist das Zusammenspiel der beiden Knochenzelltypen entscheidend. Da Osteoblasten sowohl neues Knochenmaterial produzieren als auch die Aktivierung der Osteoklasten kontrollieren, könnten sie die eigentlichen Schlüsselzellen im Knochenstoffwechsel sein [50]. Lokale Faktoren wie Wachstumsfaktoren können diesen Prozess auf verschiedene Weise beeinflussen. Solche Signalmoleküle binden normalerweise an spezifische Rezeptorproteine auf der Zelloberfläche. Anschließend wird das extrazelluläre Signal in ein intrazelluläres umgewandelt. [Seite 10↓]Verglichen mit der Fülle spezifischer Rezeptoren ist die Zahl der Effektorsysteme beschränkt. Prinzipiell gibt es nur drei Typen von Effektorsystemen zur Signalweiterleitung [51]:

Auf dieser Ebene erfolgt die Uniformierung des Signals und eine erste Modulation der Intensität. Dies geschieht durch die Verknüpfung der Systeme untereinander, abhängig von der Art und Menge der vorliegenden Enzyme und Kofaktoren und deren Kompartimentierung (unterschiedliche Ca2+- bindende Proteine, Proteinkinasen, integrative Prozesse). Veranschaulicht wird das durch die Tatsache, dass die meisten Effektorsysteme zyklische Reaktionsketten beinhalten. Das betrifft z.B. Konformationsänderungen, Assoziations-Dissoziationszyklen von Moleküluntereinheiten oder Phosphorylierungen-Dephosphorylierungen. Außerdem sind alle enzymatischen Reaktionen Gleichgewichtsreaktionen, d.h. Geschwindigkeit und Richtung sind abhängig von der Konzentration der Reaktionspartner [51].

Auf der letzten Ebene der Signalkaskade wird das Signal erneut aufgespaltet, bestimmt durch die besonderen Eigenschaften der Zielzelle. Dazu zählen u.a. Zellzyklusphase, Reifezustand sowie extrazelluläre Faktoren [52,53,54,55,56,57,58]. Daraus folgt, dass das gleiche Signal an unterschiedlichen Zielzellen stark differierende Effekte auslösen kann.

Sehr viele zelluläre Prozesse wie Proliferation und Differenzierung [59], der interne pH-Wert, der Polymerisationsgrad der Strukturproteine [60] sowie die Aktivität vieler Enzyme [61] werden durch die intrazelluläre Kalziumkonzentration reguliert. Daher wurde v.a. den feldinduzierten Kalzium-Effekten eine besondere Bedeutung zugeschrieben [62,63]. Über die Bindung an Calmodulin kann Kalzium eine spezifische Proteinkinase (Ca2+/CaMK) und außerdem die membranständige Proteinkinase C (PKC) aktivieren. PKC kann Proteine an Serin- und Threoninresten phosphorylieren und damit deren Funktion modulieren. Dazu zählen z.B. der Na+/H+- Transporter, der Einfluss auf den pH-Wert hat, K+- und Ca2+-Kanäle, bei deren Aktivierung Membranpermeabilität und -potential verändert werden, die Hemmung der PLC sowie der Einfluss auf Genexpression und Rezeptoraffinität. Der so stimulierte Ca2+-Influx kann eine weitere Ca2+-Freisetzung aus intrazellulären Speichern triggern [64]. Im Zusammenhang mit dem Zellzyklus ist bekannt, dass die intrazelluläre Kalziumkonzentration und die Generierung von transienten Anstiegen wichtige Triebkräfte für die Progression im Zellzyklus sind [65,66,67,68,69,70].

Da es in der Zelle mehrere Effektorsysteme gibt, ist prinzipiell auch deren Verknüpfung („cross talk“) möglich. Verschiedene Untersuchungen zeigten, dass PKA die intrazelluläre Ca2+-Konzentration negativ reguliert[71] und dass cAMP über einen erhöhten Ca2+-Influx und dadurch aktivierte K+-Kanäle Hyperpolarisation, Ca2+-Spikes und -Fluktuationen hervorruft [72,73].

Seit kurzem betrachtet man auch reaktive Sauerstoffverbindungen (ROS) als zelluläre Signale. Dazu zählen z.B. H2O2, NO, OH- sowie Superoxid und Singulett-Sauerstoff. Diese tragen Radikalcharakter und ihre Bildung kann exogen chemisch oder physikalisch induziert werden; sie entstehen aber auch als Nebenprodukte des Zellstoffwechsels. Eine Übersicht zur Entstehung und möglicher Reaktionswege von Radikalen befindet sich im Anhang. Die intrazelluläre Konzentration von ROS wird durch eine Reihe interner und externer Prozesse beeinflusst und durch Enzyme mit Radikalfängerfunktion gesteuert. Mit der Ausnahme von NO haben Radikale aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer jedoch nur begrenzte Reichweiten in der Zelle. Ihre mögliche Bedeutung liegt in ihrer Fähigkeit, die Signalwege der Zelle wie die Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK) und PKC zu modulieren [74,75,76]. Sie können aber auch direkt Transkriptionsfaktoren aktivieren [77]. Obwohl der entsprechende Mechanismus noch nicht vollständig verstanden ist, geht man von zwei Wechselwirkungskategorien aus: a) die direkte Wirkung der ROS auf Kinasen oder Transkriptionsfaktoren und b) die Wirkung auf Cystein-reiche, Redox-sensitive Proteine (z.B. Thioredoxin, Glutathion-S-Transferase), die bestimmte Proteine, mit denen sie assoziiert sind, beeinflussen können. ROS, insbesondere NO können aber auch parakrine Wirkung haben und somit benachbarte Zellen beeinflussen [78,79,80,81,82,83,84]. Mehrere Studien haben gezeigt, dass sowohl die endotheliale als auch die induzierbare Isoform der Synthase NOS in Knochenzellen exprimiert und NO [Seite 11↓]produziert wird. Zum Teil werden jedoch gegensätzliche Effekte berichtet. NO hemmt die Funktion der Osteoclasten [85], diese können aber auch selbst NO produzieren und damit ihre Umgebung beeinflussen. Auf Osteoblasten übt NO jedoch einen biphasischen Effekt aus [86]. Große Mengen von NO, die schnell freigesetzt werden, induzieren bei vielen Zelltypen Apoptose [87]. In kleinen Mengen bzw. bei langsamer Freisetzung wird jedoch die Proliferation stimuliert. Beide Effekte werden durch cGMP- vermittelt.

Ebenfalls parakrin wirken Prostaglandine. Sie besitzen große Bedeutung für die Regulation des Knochenstoffwechsels, da sie in der Lage sind, sowohl die Knochenbildung als auch die -resorption zu stimulieren [88,89,90,91]. Andererseits kann PGE2 auch die DNA- und Kollagensynthese dosisabhängig und biphasisch stimulieren [92]. Bei niedrigen Konzentrationen erfolgt eher eine Hemmung, bei höheren Konzentrationen jedoch die Stimulation der DNA-Synthese. Diese wird vermutlich durch Inhibierung bzw. verstärkten Abbau von cAMP vermittelt [93]. Gegenläufig wird die ALP-Aktivität erhöht bzw. herabgesetzt [94].

Die Weiterleitung der Signale an den Zellkern erfolgt u.a. durch die MAPK, die man daher als späte Instanzen der Signalkaskade ansehen kann. Man unterscheidet verschiedene Untertypen: die extrazellulär regulierte Kinase (ERK, i.allg. unter MAPK verstanden), die Stress-aktivierte Kinase (JNK) und p38, eine Kinase, die an der Stressreaktion beteiligt ist [95]. Nach ihrer Aktivierung werden sie in den Zellkern transportiert und können dort verschiedene Transkriptionsfaktoren aktivieren und somit regulierend in die Genexpression eingreifen. Das führt letztendlich zu Proliferation, Differenzierung oder Apoptose [96,97]. Durch die MAPK kann u.a. die zytoplasmatische Phospholipase A2 (PLA2) aktiviert werden, was nachfolgend zur Ausschüttung von Leukotrienen, der Aktinpolymerisation und zur Ausspreitung der Zellen führt. Sie vermitteln aber auch die mechanische Stimulation durch Dehnung oder Scherung [98,99] und den Zell-Matrix-Kontakt [100]. Dagegen werden MAPK u.a. durch Wachstumsfaktoren wie TGF-β und BMP-2 aktiviert [101,100], in Maus-Osteoblasten (MC3T3-E1) auch durch extrazelluläres Kalzium [102].

Mit Beginn der Differenzierung wird der Knochenzellstoffwechsel von Proliferation auf die Produktion von Matrix umgeschalten. Gleichzeitig steigt die Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP) an.Dieses Ektoenzym sorgt dafür, dass extrazellulär ein alkalisches Milieu entsteht, das für die Mineralisation der neugebildeten Knochenmatrix unerlässlich ist. Damit stellt ALP ein charakteristisches Maß für das Einsetzen der Differenzierung und die Rate der Knochenbildung dar [103,104]. Farley et al. [61] fanden, dass sich die ALP Aktivität umgekehrt proportional zur extrazellulären Kalziumkonzentration verhält. Auch zwischen der intrazellulären Kalziumkonzentration bzw. dem Kalziumflux und der Proliferation wird in der Literatur relativ oft eine Verbindung gezogen [105,106,107]. Z.B. sollen nach Cai et al. [108] Veränderungen in der intrazellulären Kalziumkonzentration als Reaktion auf eine veränderte extrazelluläre Konzentration die Ursache für Veränderungen in Zellzyklus und Proliferation sein.

1.1.6 Stand der Forschung zur Elektrostimulation von Knochen

Ein extern appliziertes elektrisches Feld kann u.a. die Proliferation [109], die Proteinsynthese [110], die DNA-Synthese [111], die Verteilung von Membranrezeptoren [112] sowie die intrazelluläre Ionenkonzentration [113] beeinflussen. Von zentraler Bedeutung für das Verständnis und die Optimierung der elektrischen Stimulation sind daher die möglichen Wirkmechanismen auf zellulärer Ebene. Dazu gibt es viele Publikationen, die sowohl klinische als auch tierexperimentelle Studien sowie in vitro Untersuchungen umfassen. Die folgende Zusammenstellung beschränkt sich auf in vitro Untersuchungen, um primäre Wirkungsmechanismen aufzuspüren, da diese durch Verstärkungsmechanismen im Gewebe und Effekte am Ende einer Signalkaskade maskiert werden können. Die für die Suche nach primären zellulären Mechanismen bedeutungsvollen Arbeiten lassen sich thematisch in folgende Untergruppen einteilen:

In theoretischen Betrachtungen wurde ferner betont, dass die Zell-Zell-Kommunikation insbesondere für die Wahrnehmung geringer elektrischer Feldstärken von Bedeutung ist, da sie die Wahrnehmungsschwelle herabsetzen kann [147]. Außerdem kann das Feld selbst die Kopplung beeinflussen [148,149,150,151,152]. Jedoch wurden sowohl negative als auch positive Wirkungen beschrieben.

Es gibt aber bisher keine Übereinstimmung darin, welcher Mechanismus für die Vermittlung der Feldwirkung verantwortlich ist. Möglicherweise ist diese auch Folge mehrerer interagierender Prozesse. Nicht selten wurden in verschiedenen Gruppen widersprüchliche Ergebnisse gefunden. Außerdem sind verschiedene Applikationsanordnungen kaum miteinander zu vergleichen. Das ist besonders bei der Bewertung klinischer Studien ein Problem.

1.2 Praktische Probleme bei der Elektrostimulation

1.2.1  Applikationsart und Wellenform

Elektrische Stimulation erfordert den Fluss von Ionenladungen im Medium bzw. im Gewebe; dieser Vorgang kann durch verschiedene Mechanismen erreicht werden. Die kapazitive Einkopplung eines elektrischen Feldes in ein System beruht auf der wechselnden Verteilung der Ladungen in der elektrischen Doppelschicht in Abhängigkeit von der Ladung der Elektrodenoberfläche. An der Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt findet jedoch keine Elektronenübertragung statt. Die auf diese Weise maximal injizierbare Ladung ist durch die Ladungsmenge, die in der elektrischen Doppelschicht gespeichert ist, d.h. die Doppelschichtkapazität, vorgegeben und beträgt etwa 10-20 µF/cm2 [153]. Durch diese kapazitiven Ladungsvorgänge werden zwar keine chemischen Veränderungen im Medium verursacht, es können aber nur geringe Ladungsdichten erzeugt werden. Bei größeren Ladungsdichten kommt es zu etwas ähnlichem wie dem dielektrischen Durchbruch und dem Einsetzen faradayscher Reaktionen.

Metallelektroden müssen die Ladungen im Medium in erster Linie durch faradaysche Prozesse erzeugen, da die für eine physiologische Reaktion erforderliche Ladung bei weitem diejenige überschreitet, die durch Laden und Entladen der Doppelschichtkapazität erreicht werden kann [153].

Alternativ können durch zeitlich veränderliche Magnetfelder im Gewebe elektrische Wirbelströme und demzufolge auch elektrische Felder induziert werden. Deren Verteilung ist von der Konstruktion und Anordnung der Spule sowie der Anatomie und der Leitfähigkeit des exponierten Gewebes abhängig und daher schwer zu verallgemeinern. Zur Abschätzung der induzierten elektrischen Feldstärke muss neben der magnetischen Flussdichte auch die zeitliche Änderung des Magnetfeldes bekannt sein. Allgemein gilt, dass je steiler die Flanke des Pulses, umso höher ist die induzierte Feldstärke. D.h., es ist unmöglich, durch extrakorporal applizierte Magnetpulse rechteckförmige elektrische Feldpulse im Gewebe zu erzeugen. Man erhält lediglich Stromspitzen, die abhängig davon, ob die Pulsflanke ansteigt oder abfällt, entgegengesetzt orientiert sind. Zudem ist es schwierig, die tatsächliche elektrische Feldstärke in der Nähe der Zellen zu bestimmen und zu kontrollieren. Problematisch ist auch die Dauer der induzierten elektrischen Felder. Mechanische Belastung erzeugt transiente Ladungsverschiebungen von ca. 0.2 – 20 sec Dauer [7]. Typische Anstiegszeiten der PEMF-Therapie liegen im Bereich weniger 10 µs. Diese Zeiten sind aber zu kurz, um die Trägheit der Moleküle zu überwinden und eine Ladungsverschiebung zu verursachen [8]. Man muss sich daher zwischen dem Einsatz steiler Pulsflanken, die für kurze Zeit hohe Ströme induzieren, und flacher Pulsflanken, die für längere Zeit geringe Ströme hervorrufen, entscheiden. Es existieren also beträchtliche Unterschiede in [Seite 13↓]Form, Verteilung und Stärke der Felder, was impliziert, dass endogene elektrische Felder nur ungenügend durch gepulste Magnetfelder (PEMF) nachgebildet werden können [8].

Tab. 1-1 Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden, ein elektrisches Feld im Gewebe zu erzeugen

Art der Feldeinkopplung ins Gewebe

Induktiv

Kapazitiv

Faradaysch

Eingangssignal

Feldverlauf im Gewebe, wenn mit Rechteckpuls stimuliert

Feldstärke im Gewebe

↓↓, frequenzabhängig

ausreichend

Elektrolyse

-

-

+

Invasiv?

-

+/-

+

    

In der Praxis werden vielfältige Wellenformen verwendet, wobei jedoch überwiegend durch die Applikation von Feldpulsen die räumliche und zeitliche Imitation endogener Felder erreicht werden soll. Wie oben ausgeführt, ist die induktive Kopplung dafür nicht geeignet. Auch die Anwendung kapazitiv eingekoppelter Felder würde die Verzerrung der Pulsform und eine Phasenverschiebung zur Folge haben. Sie ist daher nur für die Stimulation mit harmonischen Wellen anwendbar. Wenn die Stimulation der Zellen durch rechteckförmige elektrische Feldpulse erfolgen soll, kann das Feld nur direkt über Elektroden ins Gewebe eingekoppelt werden. Elektroden bieten den Vorteil, Verlauf und Größe der elektrischen Feldstärke in der Nähe von Zellen oder Gewebe gut beschreiben und kontrollieren zu können. Man muss jedoch einen Kompromiss zwischen der Verwendung ausreichend hoher Feldstärken und den damit verbundenen elektrochemischen Reaktionen finden.

Abb. 1-2 Elektrische Stimulation durch Konstantspannung bzw. durch
Konstantstrom bewirken verschiedene Verläufe der elektrischen Feldstärke im Gewebe.

Für die direkte elektrische Stimulation stehen zwei verschiedene Modi zur Verfügung (Abb. 1-1.2). Bei der Applikation eines Spannungspulses, fällt zeitabhängig ein Teil der Eingangsspannung über der Lösung bzw. der Grenzfläche ab. Dieser Verlust entsteht einerseits durch den ohmschen Widerstand des Elektrolyts, der Wärme erzeugt und andererseits durch Polarisationseffekte an der Grenzfläche. Das resultierende elektrische Feld wird verformt und ähnelt dem Lade- bzw. Entladestrom eines RC-Kreises. Es ist v.a. schwierig, aus der angelegten Spannung die eigentliche Potentialdifferenz an der Grenzfläche zu bestimmen und darüber die Abwesenheit irreversibler elektrochemischer Reaktionen sicherzustellen. Um einen rechteckigen Stromverlauf zu erhalten, muss andererseits eine Spannung angelegt werden, die die oben genannten Verluste korrigiert. Man muss davon ausgehen, dass die notwendige „Überschuss-Spannung", die durch die schraffierten Flächen in Abb. 1-1.2 gekennzeichnet wurde, zumindest teilweise in chemische Arbeit umgesetzt wird.

Da jeder Nettogleichstrom zu irreversiblen Elektrolytreaktionen führen kann, ist der geringste Schaden für Zellen oder Gewebe zu erwarten, wenn kein Nettogleichstrom fließt und die Ladungsdichte unterhalb der Schwelle für Gasbildung liegt. Das erreicht man am besten mit symmetrischen bzw. ladungsbalancierten Pulsformen. Finden jedoch irreversible Reaktionen statt, insbesondere wenn die [Seite 14↓]Lösung organische Komponenten enthält, können trotz Ladungsbalance dauerhafte Veränderungen in der Zusammensetzung der Lösung entstehen. Therapeutisch eingesetzte Stimulationselektroden sind meist als Scheiben, Bänder, oder rechteckige Dünnschichten gestaltet, so dass inhomogene Stromdichtenverteilungen hervorrufen werden. Diese können dazu führen, dass die lokalen Ladungsdichten die Schwellen der chemischen Reversibilität überschreiten und lokale Korrosion an Ecken und Rändern begünstigen.

Das für den Einsatz in biologischen Geweben verwendete Elektrodenmaterial sollte inert und biokompatibel sein wie Platin und Iridium [154]. Für die Herstellung von Bioelektroden wird daher sehr häufig Platin eingesetzt, da es sehr korrosionsbeständig ist und außerdem durch niedrige Schwellenpotentiale für die elektrische Stimulation interessant ist. Eine zusätzliche Platinisierung der Oberfläche (Pt/schwarz), d.h. Auftragen einer rauen Edelmetallschicht, kann die Oberfläche mehr als 1000fach vergrößern. Dadurch sinktdie Stromdichte und die elektrochemischen Prozesse verlaufen länger im reversiblen Bereich. Überdies wird die Elektrodenimpedanz um fast 2 Größenordnungen [155] gesenkt und die Lebensdauer der Elektrode erhöht. Dieser Prozess bewirkt ferner, dass die Elektrodenimpedanz im Bereich 1-100 kHz nahezu konstant ist und somit eine gleichmäßigere Stimulation gewährleistet. Trotzdem werden häufig auch Edelstahlelektroden eingesetzt, die jedoch wegen der toxischen Wirkung des durch Korrosion freigesetzten Eisens und anderer in der Legierung enthaltener Metalle jedoch nicht zu empfehlen sind.

1.2.2 Polarisation an den Elektroden

Unter einer Elektrode versteht man ein System, bei dem sich Phasen eines Elektronenleiters und eines Ionenleiters berühren, z.B. wenn ein Metallstab in eine Elektrolytlösung eintaucht. Wird an die Elektrode eine Spannung anlegt, bildet sich an der Phasengrenze eine elektrische Doppelschicht heraus. Der Durchtritt von Metallionen oder Elektronen durch die Phasengrenze Elektrode/Elektrolyt führt zu einem thermodynamisch definierten Gleichgewichts-Elektrodenpotential, welches durch gleiche Austauschstromdichten in beide Richtungen charakterisiert ist. Fließt durch eine solche Elektrode ein zusätzlicher Strom, wird das Elektrodenpotential durch auftretende Polarisationserscheinungen verändert. Diese stromdichteabhängige Abweichung von der Gleichgewichtsspannung nennt man Polarisation oder Überspannung [156].

Die Überspannung hat zwei prinzipielle Ursachen: zum einen verändert der Stromfluss an der Elektrodenoberfläche die Konzentration der das Elektrodenpotential bestimmenden Reaktionspartner, zum anderen ist eine zusätzliche Spannung notwendig, damit die potentialbestimmenden Ladungsträger überhaupt durch die Phasengrenze treten können. Daher unterscheidet man in Konzentrations- und Durchtrittspolarisation. Die Durchtrittsüberspannung bezeichnet den Spannungsabfall an dem Widerstand, den die Phasengrenze Festkörper/Elektrolyt dem Durchtritt von Ladungsträgern entgegensetzt. Die Konzentrationsüberspannung wird durch in Stromrichtung ortsabhängig auftretende Konzentrationsänderungen der Ladungsträger oder der Reaktionspartner verursacht. Da es für die Entstehung eines Konzentrationsgradienten verschiedene Ursachen geben kann, unterteilt man in 1) Diffusionsüberspannung, die auf einer Verarmung oder Anreicherung der an der Gesamtreaktion teilnehmenden Partner beruht, 2) Reaktionsüberspannung, welche aus der Hemmung einer vorangehenden oder Folgereaktion resultiert (einschließlich Hydrations- und Dehydratationsvorgänge) und 3) Kristallisationsüberspannung, die auftritt, wenn Ein- oder Ausbau der Metallionen in bzw. aus dem Kristallgitter gehemmt sind. Außerdem unterscheidet man noch eine Widerstandsüberspannung, die dem ohmschen Spannungsabfall an der Elektrode entspricht, der z.B. durch eine Beschichtung entstehen kann. Meist liegen mehrere dieser Effekte gleichzeitig vor, so dass sich die Gesamtpolarisation aus der Summe der verschiedenen Anteile ergibt. Dabei entsprechen Widerstands- und Durchtrittspolarisation irreversiblen Vorgängen, die Unterarten der Konzentrationspolarisation sind hingegen reversibel.

Eine Grenzfläche, an der eine elektrochemische Reaktion stattfindet, kann man mit einem elektronischen Schaltkreis vergleichen, welcher aus einer bestimmten Kombination von Widerständen und Kapazitäten besteht. Dann kann das elektrochemische System durch die Komponenten seines Äquivalentschaltkreises beschrieben werden. Ein Widerstand würde eine Leitfähigkeit repräsentieren, wie die Leitfähigkeit des Elektrolyten oder den elektronenübertragenden Schritt einer Redoxreaktion. [Seite 15↓]Kapazitäten würden u.a. die Polarisation von Ladungen und Adsorptionsvorgänge beschreiben [157]. Dementsprechend lassen sich die Vorgänge in der Grenzfläche in dem Ersatzschaltbild, wie es Abb. 1-1.3 zeigt, darstellen.

Die Ladungsverteilung in der Doppelschicht hängt vom Elektrodenmaterial, der Zusammensetzung des Elektrolyten und der den Gleichgewichtszustand der Elektrode bestimmenden Redoxreaktion ab. Bei Adsorption von Ionen oder polarisierten Makromolekülen an der Elektrodenoberfläche, muss die Doppelschicht als eine Reihenschaltung von mehreren Kapazitäten beschrieben werden [158]. Die Reaktionsimpedanz führt bei einem zeitabhängigen Signal zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, die sowohl vom Signal als auch von der Reaktionsgeschwindigkeit abhängt; die Diffusionsimpedanz verursacht jedoch immer eine Phasenverschiebung von 45° (Warburg-Impedanz). Während Doppelschichtkapazität und Durchtrittswiderstand nicht von der Frequenz abhängen, sind Diffusions- und Reaktionsimpedanz frequenzabhängig. Außerdem werden sie von der Reaktionsstromdichte, aber auch durch die Diffusionskonstanten der Reaktanden bestimmt.

Abb. 1-3 Ersatzschaltbild der Phasengrenze Elektrode/Elektrolyt

Finden mehrere diffusionsabhängige Schritte und/oder mehrere Redoxreaktionen statt, müssen diese im Ersatzschaltbild Abb. 1-1.3 durch eine entsprechende Anzahl von RC-Gliedern berücksichtigt werden. Die Elektrode stellt sich dann als ein komplexes Netzwerk aus RC-Gliedern dar, dessen Impedanz sich während der Stimulation verändert. Dieses Netzwerk kann durch die Verwendung eines modifizierten „Constant Phase Elements“ (CPE, Abb. 1-1.4) für die Konzentrationspolarisation zusammengefasst und so die gemessenen Spektren leicht an das Ersatzschaltbild angepasst werden [158]. Das CPE ist ein virtuelles Bauelement, das eingeführt wurde [159], um das Verhalten realer Systeme zu beschreiben, die inhomogene Eigenschaften haben oder die durch eine Dispersion ihrer physikalischen Parameter charakterisiert sind. Diese nicht-linearen Eigenschaften sind mit einer kontinuierlichen oder diskreten Verteilung von Relaxationszeiten verbunden, die aus der Verteilung von Aktivierungsenergien resultiert [158]. Besondere Bedeutung kommt dabei dem fraktalen Exponenten m zu. Für ergibt sich das Warburg-Element, das ausschließlich diffusionsbegrenzte Vorgänge in der Grenzfläche beschreibt. Mögliche physikochemische Erklärungen für diesen Parameter sind die Rauhigkeit der Elektrodenoberfläche, inhomogene Reaktionsraten an der Oberfläche und variierende Dicke oder Zusammensetzung einer Deckschicht.Das verwendete CPE wurde so modifiziert, dass die nicht-linearen Eigenschaften sowohl der kapazitiven als auch der ohmschen Grenzflächenelemente berücksichtigt werden. Beide Anteile werden als kontinuierlich verteilt und frequenzabhängig vorausgesetzt.

Abb. 1-4 Modifiziertes CPE.

Trotz der ausgeprägten Analogie bestehen einige Unterschiede zwischen einem elektrischen und einem elektrochemischen System, die gleichzeitig die Grenzen dieser Betrachtungsweise aufzeigen [160]. Im Gegensatz zu elektrischen Systemen, die meist aus passiven Elementen bestehen, enthalten elektrochemische Systeme oft aktive Elemente. Zudem sind elektrochemische Systeme prinzipiell nicht-linear, da die Beziehung zwischen Strom und Spannung eher exponentiell (Butler-[Seite 16↓]Volmer-Gleichung) als linear (Ohmsches Gesetz) ist. Anders als passive elektrische Systeme verändern sich elektrochemische Systeme mit der Zeit. Außerdem enthalten passive elektrische Systeme keine negativen Widerstände oder Kapazitäten wie sie z.B. beim aktiv-passiv Übergang auftreten. Um dieses Missverhältnis zu umgehen und die Eigenschaften elektrochemischer Systeme korrekt wiederzugeben, muss das nicht-ideale Verhalten durch die Einführung verteilter Bauelemente berücksichtigt werden.

1.2.3  Elektrochemische Reaktionen an der Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt

Der Zusammenhang zwischen Ladung und Stoffumsatz in einer elektrochemischen Reaktion wird durch das Faradaysche Gesetz vorgegeben:

Gleichung 1

wobei Q die Ladung [C], F die Faraday-Konstante [C/mol], z die Anzahl der übertragenen Elektronen und n die Stoffmenge des oxidierten Metalls [mol] bedeutet. Faradaysche Prozesse erfordern die Übertragung von Elektronen zwischen Elektrode und Elektrolyt, deswegen werden notwendigerweise einige Substanzen reduziert oder oxidiert. Die dabei stattfindenden Reaktionen können reversibel oder irreversibel sein, was in erster Linie davon abhängt, ob durch die Redoxreaktionen neue chemische Stoffe in der Lösung entstehen. Im reversiblen Fall bleiben die Reaktionspartner an der Elektrodenoberfläche gebunden, in der Mehrheit der Lösung werden keine neuen Stoffe produziert. Wird die Stromrichtung umgekehrt, sind die Redoxreaktionen komplett reversibel. In diesen Bereich gehören z.B. die Bildung von Metalloxid und die Adsorption von Wasserstoff an die Elektrodenoberfläche. Außerdem können Änderungen in der Oxidationsstufe (insbesondere in mehrschichtigen Oxidschichten) und durch die Bildung von OH- und H+ lokale pH-Veränderungen auftreten. Die Stärke einer solchen pH-Veränderung hängt v.a. von der Stromdichte und der Pufferkapazität der Lösung ab.

Wenn an der Redoxreaktion Stoffe beteiligt sind, die nicht an der Elektrodenoberfläche gebunden bleiben, handelt es sich um zumindest partiell irreversible Prozesse. Dazu gehören u.a. die Oxidation von organischen Molekülen sowie Vorgänge, die zu Korrosion und Gasentwicklung führen. Irreversible Reaktionen sind bei der Ladungsinjektion ins Medium prinzipiell unerwünscht, da sie die Zusammensetzung der Lösung verändern, toxische Substanzen produzieren oder extreme pH-Werte verursachen können.

Redoxreaktionen sind charakterisiert durch die Kopplung von anodischer Oxidation und kathodischer Reduktion. Dabei versteht man unter Oxidation elektronenproduzierende Prozesse, die u.a. zur Auflösung des Elektrodenmetalls, der Entwicklung von gasförmigem Sauerstoff und Chlor und zur Verschiebung zu sauren pH-Werten führen können. Im Gegensatz dazu werden während der Reduktion Elektronen verbraucht. Auf diese Art kann sich beispielsweise gasförmiger Wasserstoff bilden oder der pH-Wert in den alkalischen Bereich verschoben werden. Welche Redoxreaktionen an Anode und Kathode stattfinden, wird durch die Lage des thermodynamischen Gleichgewichtspotentials E0 für jede Reaktion bestimmt. In Tab. 1-1.2 sind die Gleichgewichtspotentiale für ausgewählte Elektrodenreaktionen zusammengestellt. Jedoch können, abhängig von Elektrodenmaterial und Elektrolytzusammensetzung, beträchtliche Abweichungen von diesen Gleichgewichtspotentialen auftreten.

Während die Elektrodenspannung Art und Richtung der Reaktion festlegt, wird deren Intensität – also die umgesetzte Stoffmenge – durch die Stromdichte bestimmt.


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Tab. 1-2 Gleichgewichtspotentiale für ausgewählte Elektrodenreaktionen bei pH 7.0, 25°C. (↑) bedeutet Gasentwicklung [153].

Redoxreaktion

 

E0 [V]

Eisen Auflösung/Ablagerung

Fe ⇔ Fe2+ + 2e-

-0.030

Oxidation/Reduktion organischer Moleküle

C6H12O6⇔ 6CO2 + 24H+ + 24e-

-0.015

Wasserstoff Oxidation/Bildung

H2⇔ 2H+ + 2e-

0.000

H-Atom Oxidation/Reduktion = Adsorption

Pt-H ⇔ Pt + H+ + e-

-

Oberflächenoxidation/Reduktion von Iridium

Ir + H2O ⇔ IrO + 2H+ + 2e-

Ir + 2H2O ⇔ IrO2 + 4H+ + 4e-

Ir2O3 + H2O ⇔ 2IrO2 + 2H+ + 2e-

0.870

0.926

0.926

Oberflächenoxidation/Reduktion von Platin

Pt + H2O ⇔ PtO + 2H+ + 2e-

0.980

Platin Auflösung/Ablagerung

Pt + 4Cl-⇔ [PtCl4]-2 + 2e-

1.143

Sauerstoff Bildung/Reduktion

2H2O ⇔ O2↑ + 4H+ + 4e-

1.228

Oxidation/Reduktion von Chlorid

Cl- + 4H2O ⇔ ClO4- + 8H+ + 8e-

Cl- + 2H2O ⇔ ClO2- + 4H+ + 4e-

Cl- + H2O ⇔ ClO- + 2H+ + 2e-

2Cl-⇔ Cl2↑ + 2e-

1.389

1.599

1.715

1.774

   

In inertem Gewebe ist die überwiegende elektrolytische Reaktion die Zersetzung von Wasser und darin gelöster Bestandteile. D.h. an der Anode entstehen Sauerstoff, Chlor und Wasserstoffionen, die zur Absenkung des pH beitragen. Obwohl das Gleichgewichtspotential für die Bildung von Sauerstoff kleiner ist als das für Chlor, wird letzteres aus kinetischen Gründen leichter gebildet. Der Anteil von Chlor kann maximal 50 Prozent betragen, ist im Allgemeinen aber niedriger. Der größte Anteil des Stroms wird für die Zersetzung von Wasser verbraucht [161]. Die Reaktionsprodukte verteilen sich durch Diffusion und Elektromigration in der Umgebung. Die Ausbreitung ist u.a. davon abhängig, wie viel Chlor im Gewebe bzw. im Puffer gebunden werden kann. Die toxische Wirkung von HCl und Chlor ist in der Literatur beschrieben. Man nimmt daher an, dass der Gewebe zerstörende Effekt, der in der elektrochemischen Therapie gezielt ausgenutzt wird, durch das Zusammenspiel von Wasserstoff und Chlor verursacht wird. An der Kathode wird in erster Linie Wasserstoff gebildet, was zu einer Alkalisierung der Umgebung führt. Dieser Vorgang beginnt mit der Adsorption von Wasserstoff an der Elektrode, gefolgt von H2-Entwicklung. Jedoch bilden sich erst Gasblasen, nachdem ausreichende Mengen molekularen Wasserstoffs und Sauerstoffs vorhanden sind, um den kritischen Sättigungsdruck zu erreichen. Dieser hängt von der Elektrodengeometrie und der Pulsfrequenz ab. Eine Pulsladungsdichte, die groß genug ist, um molekularen Wasserstoff und Sauerstoff zu generieren, produziert keine Gasblasen, wenn die Pulsfrequenz langsam genug ist, um den gelösten Gasen die Wegdiffusion von der Elektrode zu ermöglichen. Zellen oder Gewebe können eine niederfrequente elektrische Stimulation tolerieren, wenn diese gepulst oder diskontinuierlich ist, jedoch nicht, wenn längere Perioden kontinuierlicher Stimulation auftreten [162].

Mit Hilfe des Faradayschen Gesetzes kann abgeschätzt werden, wie viel Mol Gas bzw. H+/OH- maximal gebildet werden können. Unter der Annahme, dass die Gasentwicklung mit je 50% am Stoffumsatz beteiligt ist [161], werden bei der experimentell verwendeten Stromstärke und einer Frequenz von 1 Hz die in Tab. 1-1.3 angegebenen Stoffraten umgesetzt. Die Berechnungen bei verschiedenen Stromstärken zeigt Abb. 1-1.5.

Tab. 1-3 Maximale Umsatzrate für die Entwicklung von Gas bzw. H+/OH- an Pt/schwarz-Elektroden, Annahme Cl2-Ausbeute 50%, O2-Ausbeute 50%, Frequenz 1 Hz, Stromstärke wie im Experiment.

 

Anode

Kathode

 

Cl 2

O 2

H +

H 2

OH -

[nmol/min]

177

88

354

354

707

      

Der Gewebe schädigende Effekt, der oben beschrieben wurde, geht davon aus, dass die Reaktionsprodukte jeder Elektrode nicht miteinander reagieren. Ist der Abstand zwischen den Elektroden jedoch klein, können Hydroxylionen und Wasserstoffionen reagieren und Wasser bilden. Das würde das geschädigte Volumen eingrenzen.

Für eine Abschätzung der Diffusionsstrecken der Reaktionsprodukte kann man das Ficksche Gesetz benutzen. Bei 37°C und einem Diffusionskoeffizienten von 4·10-5 cm2/s werden nach 5 min, 10 min bzw. 30 min Strecken von 1.5 mm, 2.2 mm bzw. 3.8 mm zurückgelegt.


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Abb. 1-5 Abschätzung der chemischen Arbeit an Anode (links) und Kathode (rechts). Umsatz nach Faraday-Gesetz, Annahme Cl2-Ausbeute 50%, O2-Ausbeute 50%, Frequenz 1 Hz für 30 min. Schwarzer Pfeil markiert verwendete Stromstärke bei U=1.5V an Pt/schwarz-Elektroden.

1.2.4 Elektrostimulation von neuronalem Gewebe

Abb. 1-6 Röntgenaufnahme eines menschlichen Kopfes mit
bilateral implantierten Mikroelektroden

Die elektrische Stimulation von tiefliegenden Kerngebieten des Gehirns wird als eine Alternative zu Lesionen bei der Behandlung motorischer Störungen eingesetzt, die u.a. bei M. Parkinson und dem essentiellen Tremor auftreten. Da die medikamentöse Therapie bei dem oft notwendigen chronischen Einsatz ihre Wirksamkeit verliert, andererseits Lesionen in bestimmten Hirngebieten in fast 40% aller Fälle schwerwiegende Nebenwirkungen wie Seh- und Sprechstörungen sowie Lähmungen hervorrufen, wird seit etwa 15 Jahren die tiefe Hirnstimulation (DBS) als Alternative eingesetzt. Dabei werden Stimulationselektroden sehr genau im Gehirn positioniert, im Fall von Parkinson geschieht das im Nucleus subthalamicus oder Globus pallidus. Der genaue Wirkungsmechanismus der DBS ist noch nicht vollständig verstanden, man nimmt aber an, dass überaktive Nervenzellgebiete normalisiert werden und das Gleichgewicht zwischen hemmenden und erregenden Neurotransmittern wiederhergestellt wird. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das neuronale Gewebe nicht zerstört wird und die Beeinflussung der Zellen reversibel ist. Bei Anwendung über einen langen Zeitraum beobachtet man allerdings, dass die Parameter der Stimulation von Zeit zu Zeit angepasst werden müssen. Da die Therapie noch relativ jung ist, sind die Erfahrungen über Langzeiteffekte allerdings begrenzt. Elektrochemisch bedingte Nebenwirkungen sind im Gehirn jedoch besonders problematisch, da Entzündungen und Nekrosen in der Umgebung der Elektroden zur irreversiblen Schädigung des Gewebes führen. Dass bei der elektrischen Langzeitstimulation von neuronalem Gewebe auch elektrochemisch bedingte Nebeneffekte auftreten, zeigen verschiedene pathologische Untersuchungen. So berichteten Fung et al. [163], dass nach der Stimulation mit Edelstahlelektroden Eisenablagerungen im Gehirn von Ratten nachgewiesen werden konnten. Henderson et al. [164] fanden Zellverlust, Depigmentierung, Bildung von Lewy-Körperchen und Gliose in der Nähe der Stimulationselektrode. Direkt an der Elektrode wurde die Aktivierung von Mikroglia und Makrophagen sowie Zytoskelettveränderungen beobachtet. Diese führen nachfolgend zur Zerstörung der benachbarten Neurone.

Die Ansprüche, die man demzufolge an eine Stimulationselektrode stellen muss, enthalten kapazitive Eigenschaften. D.h. die Anzahl der Ladungen die akkumuliert und über die Grenzfläche ausgetauscht werden können, ohne dass es zu irreversiblen Redoxreaktionen kommt, soll möglichst hoch sein [155,165]. Da für die genaue Positionierung der Elektrode im Gehirn diese gleichzeitig zum Ableiten der Aktionspotentiale genutzt wird, sollte sie überdies im gesamten wichtigen Frequenzbereich (10-1000 [Seite 19↓]Hz) eine konstante und niedrige Impedanz aufweisen, um eine hohe Signalverstärkung zu erreichen. Polarisationseffekte sollten gering sein [155,165].Bei gleichzeitiger Ableitung und Stimulation, besteht daher der Konflikt, beide Parametersätze nicht unabhängig voneinander optimieren zu können. Gleichzeitig sind eine Vielzahl von verschiedenen Elektrodengeometrien und –materialien für die DBS kommerziell erhältlich. Informationen über die Eigenschaften von solchen Mikroelektroden sind jedoch nicht zugänglich und speziell für den Einsatz in Tiermodellen kaum vorhanden. Obwohl Elektrochemiker seit langem Elektrodeneigenschaften untersuchen, gibt es nur wenige Arbeiten, die in echten physiologischen Medien, die verschiedene Ionen und komplexe organische Verbindungen enthalten, durchgeführt wurden. Für den gezielten Einsatz zur Stimulation sollten darum die entsprechenden Elektroden in physiologischem Medium charakterisiert werden.

1.3 Wirkungsweise von Feldern im biologischen Material

1.3.1 Elektrisches und magnetisches Feld

Für die Bewertung der elektrischen Stimulation des Knochens ist im Besonderen der Vergleich zu den physiologischen Vorgängen des „Bone Remodeling“ bedeutsam (vgl. Kap. 1.1.3). Da im Zusammenhang mit mechanischer Belastung elektrische Potentiale im Knochen gemessen wurden, geht man allgemein davon aus, dass die Feldwirkung im Knochen auf der elektrischen Komponente beruht[32,166]. Für die Applikation von Magnetfeldern impliziert das, dass die induzierten Wirbelströme für beobachtete Effekte verantwortlich sind.

Ein äußeres elektrisches Feld wird, bedingt durch die Eigenschaften der Zelle und des umgebenden Milieus (Dielektrizitätskonstante, Leitfähigkeit), frequenzabhängig vom Zellinneren ferngehalten. In der nichtleitenden, aber polarisierbaren Membran entsteht durch das äußere Feld ein inneres Reaktionsfeld, das dem äußeren entgegengerichtet ist. Dadurch wird das Feld innerhalb der Membran und damit das Transmembranpotential beeinflusst. Das induzierte Membranpotential berechnet sich nach

Gleichung 2

mit E 0 äußere Feldstärke, r Zellradius, α Winkel zwischen äußerem und Transmembranfeld. Z.B. beträgt das induzierte Membranpotential durch eine äußere Feldstärke von 100 V/m (Zelldurchmesser 10 µm, cos α =1) 1.5 mV. Im Gegensatz dazu entsteht im leitfähigen Zytoplasma bzw. im extrazellulären Medium nur für kurze Zeit ein Feld, nämlich während des Einschaltens bzw. der Umpolung des äußeren Feldes. Durch die entsprechend ihrer Ladung im Feld bewegten Ionen wird ein Gegenfeld aufgebaut, das das äußere Feld in physiologischen Lösungen mit einer Zeitkonstante von 5·10-10 sec kompensiert. Daraus ergibt sich, dass das intrazelluläre Feld bei niedrigen Frequenzen vernachlässigt werden kann. Ab etwa 1 MHz wird die Membran kapazitiv gebrückt und das äußere Feld kann relativ ungehindert in die Zelle eindringen. Änderungen des Membranpotentials spielen bei hohen Frequenzen keine Rolle mehr.

Die von einem veränderlichen Magnetfeld induzierten Wirbelströme treten in geschlossenen Schleifen auf und können daher nicht durch Ionen ausgeblendet werden. Die durch bewegte Ladungen induzierten Magnetfelder sind durch die geringe Leitfähigkeit von Gewebe bei niedrigen Frequenzen klein. Leitfähige Verbindungen wie Gefäßsysteme oder Zell-Zell-Verbindungen können allerdings Bereiche erhöhter Leitfähigkeit schaffen, die zu deutlich höheren Stromdichten führen.

1.3.2 Energetische Überlegungen

Um die energetische Wirkung elektromagnetischer Felder auf ein biologisches System einzuschätzen, muss man das Grotthus-Drapersche Prinzip beachten. Danach ist nur der Anteil der eingestrahlten Energie wirksam, der vom System absorbiert wird. Feldeffekte können nur dann auftreten, wenn die absorbierte Energiemenge die natürlichen Schwankungen des biologischen Systems übertrifft. Verglichen wird mit der Energie des umgebenden thermischen Rauschens kT. Das thermische [Seite 20↓]Rauschen ist jedoch ein zufällig wirkender Stimulus, während künstliche elektromagnetische Felder in Bezug auf Richtung und Intensität meist räumlich und zeitlich periodisch auftreten. Gegenüber dem thermischen Rauschen wird auf diese Weise die enthaltene Information gewissermaßen verstärkt. Außerdem könnten EMF spezifisch an molekulare Resonanzfrequenzen oder zelluläre Signalkaskaden ankoppeln und so die durch kT vorgegebene Energieschranke umgehen.

Von Weaver und Astumian wurden Abschätzungen zur Detektionsschwelle elektrischer Felder vorgenommen [167,168]. Eine zelluläre Reaktion auf ein äußeres elektrisches Feld setzt voraus, dass das Feld Veränderungen hervorruft, die größer als zufällige Schwankungen sind. Da es an der Membran verschiedene Quellen für Fluktuationen gibt (thermisches Rauschen, 1/f-Rauschen, „shot noise“ durch zufälliges Öffnen und Schließen von Ionenkanälen, physikalisches und biologisches Hintergrundrauschen), muss eine Zellreaktion mindestens das thermische Rauschen übertreffen. Für eine typische langgestreckte Säugerzelle wird die Schwelle Emin für das Breitband-Rauschen angegeben mit

Gleichung 3

( induzierte Änderung des Membranpotentials, , Radius und Länge der Zelle, , Dielektrizitätskonstante des Vakuums und der Membran, d Membrandicke, k Boltzmannkonstante, T Temperatur =310 K). Mit und erhält man für die minimale Feldstärke 2 V/m. Durch die Annahme einer zeitlichen Mittelung des Signals könnte ein periodisches Signal, das über n Zyklen appliziert wird, die Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses um Faktor bewirken. Beispielsweise würde eine Frequenz von 1 kHz für 10 min angewendet, die minimale Feldstärke um 3 Größenordnungen herabsetzen. Im Bereich solcher geringen Feldstärken wurden von McLeod et al. Effekte gefunden [169]. Eine weitere Verstärkung ist vorstellbar, wenn man die Größe von Zellaggregaten betrachtet, die durch Gap Junctions elektrisch verbunden sind [147]. Dann würde sich bei einer verbundenen Zellzahl N das Signal-Rausch-Verhältnis um den Faktor verbessern. Da außerdem die Kapazität des Zellaggregats größer ist, lässt sich das Rauschen zusätzlich um den Faktor reduzieren [168]. Damit wäre die gesamte Verstärkung durch einen Zellkomplex fast proportional zur beteiligten Zellzahl .

Nach dieser Abschätzung sollte es mit Feldstärken, die sich 1-2 Größenordnungen über dem Grenzwert von 2 V/m befinden (100-200 V/m), auf jeden Fall möglich sein, Effekte zu registrieren, die auf Änderungen des Transmembranpotentials zurückgehen. Da die gleichartigen Wirkung mechanischer und elektrischer Stimulation auf das „Bone Remodeling“ elektrokinetische Hypothesen glaubhaft macht, erscheint der Einsatz monopolarer Pulse sinnvoll. Die verwendeten Frequenzen sollten für die Imitation physiologischer Belastungen im Bereich von 1-100 Hz liegen.

Selbst unter der Voraussetzung, dass keine Verstärkungsmechanismen zum Tragen kommen, sind Feldeffekte über mehrere Größenordnungen der Feldstärke vorstellbar. Berücksichtigt man weiterhin den Bereich möglicher Frequenzen, Expositionszeiten und zellulärer Parameter, die beeinflusst werden können, ergibt sich eine immens große Zahl von möglichen experimentellen Bedingungen [168]. Wenn es keinen Anhaltspunkt dafür gibt, welcher potentielle Mechanismus die biologische Wirkung vermittelt, müssten eine Vielzahl experimenteller Bedingungen über einen Screening-Prozess getestet werden. Um die Anzahl der notwendigen Versuche zu reduzieren, ist es daher wichtig, Schlüsselparameter zu finden und sich auf die Erfassung primärer zellulärer Signale zu konzentrieren.


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08.06.2004