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Zielstellung

Die elektrische Stimulation von Zellen und Geweben wird seit langem und bei vielfältigen Indikationen klinisch eingesetzt. Dazu gehört die Behandlung von Knochenbrüchen ebenso wie die Schmerztherapie, die muskuläre Stimulation und die Behandlung motorischer Störungen wie bei M. Parkinson. Die Basis für die therapeutische Anwendung der Elektrostimulation bei der Behandlung von Knochenbrüchen liegt in der Existenz von belastungsabhängigen elektrischen Potentialen im Knochen. Durch extern applizierte elektromagnetischer Felder soll das zeitliche und räumliche Muster endogener Felder imitiert werden. Die Mechanismen der zellulären Wirkung sind aber trotz zahlreicher Studien und langjähriger klinischer Anwendung noch immer unverstanden. Daher werden zur elektrischen Stimulation Felder mit den unterschiedlichsten Parametern eingesetzt, die in Frequenz, Feldstärke und Wellenform sowie Applikationsart und Anwendungsdauer variieren. Die Optimierung der Parameter gestaltet sich schwierig, da mitunter widersprüchliche Ergebnisse erzielt wurden und verschiedene Applikationsanordnungen kaum miteinander zu vergleichen sind. Die Suche nach den Mechanismen der Feldwirkung wird zusätzlich verkompliziert durch die verschiedenen Arten der Feldapplikation und den damit verbundenen Folgerungen für Feldstärke und Wellenform im Gewebe. Ausreichend hohe Feldstärken und eine gute Kontrolle über die Wellenform können nur durch die direkte Feldapplikation mit Hilfe von Elektroden erzielt werden. Dabei muss jedoch ein Kompromiss zwischen den positiven Heilungserfolgen und den unvermeidlichen Nebenwirkungen gefunden werden. Diese wären insbesondere bei der elektrischen Stimulation von Gehirngebieten, die oft über viele Jahre erfolgt, problematisch. Daher ist es notwendig, das für die Stimulation eingesetzte System im Vorfeld zu charakterisieren.

Die Diskrepanz zwischen der ungeklärten Wirkungsweise und der etablierten klinischen Anwendung elektromagnetischer Felder zur Beeinflussung des Knochenwachstums ist der Ausgangspunkt der hier vorliegenden Arbeit. Dazu war es vorab notwendig, ein experimentelles System, bestehend aus einer Osteoblasten-Zellkultur und einer geeigneten Einrichtung zur Feldapplikation, zu etablieren und zu charakterisieren. Als Zellmodell dienten die humane Osteosarcomalinie HOS TE85 und aus Minischweinen isolierte primäre Osteoblasten. Die gewählte Elektrodenanordnung wurde mit Elektroden für die tiefe Hirnstimulation, die ebenso wie verschiedene Knochenstimulatoren kommerziell erhältlich und klinisch etabliert sind, verglichen. Durch diese Betrachtungen war es möglich, Ursache und Größenordnung von bekannten, aber unerwünschten Nebeneffekten zu klären sowie detaillierte Angaben zur effektiven Feldstärke und Feldverlauf in der Zellebene zu machen.

Da nicht klar ist, über welche zellulären Signalwege die Wirkung elektrischer Felder vermittelt wird, wurden Untersuchungen durchgeführt, die verschiedene potentielle Targetmoleküle erfassen können. Um einen möglichen Signalweg aufzuzeigen, wurde der Fokus zunächst auf den unmittelbaren Nachweis der Auslösung von Primärsignalen als Antwort auf eine Feldeinwirkung gerichtet. Dazu gehört die intrazelluläre Kalziumkonzentration, die auf Einzelzellniveau erfasst wurde, und die Konzentration der zyklischen Nukleotide cAMP und cGMP. Literaturhinweise sprechen für die Auslösung von Kalziumsignalen als Primärreaktion auf ein externes Feld. Durch solche schnellen Signale, die zeitlich unmittelbar mit der Befeldung zusammenhängen, sollte geklärt werden, ob das applizierte elektrische Feld überhaupt wirkt. Zur Weiterleitung der Signale innerhalb der Zelle existieren in der Literatur widersprüchliche Ergebnisse. Das könnte ein Hinweis auf die Beteiligung mehrerer Signalwege sein. Daher wurden im Folgenden die Freisetzung autokriner und parakriner Signalmoleküle wie NOx und PGE2 sowie der Redoxstatus der Zelle untersucht. Durch die Messung aktivierter Proteinkinasen (MAPK), die die Signale an den Zellkern weiterleiten und so Wachstum und Genexpression regulieren, konnte ein weiterer Schritt der zellulären Signalkaskade verfolgt werden. Schließlich wurde durch die Erfassung von Proliferation und Aktivität der alkalischen Phosphatase die Wirkung in den zellulären Effektorsystemen überprüft. Damit sollte geklärt werden, ob durch die Stimulation eine langfristige Wirkung erzielt werden kann. Diese Eigenschaft wäre für einen therapeutischen Einsatz essentiell.

Durch die Kombination der Ergebnisse aller Einzelmessungen sollte abschließend versucht werden, einen möglichen zellulären Signalweg aufzuzeigen und Empfehlungen für die therapeutische Anwendung zu geben.


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08.06.2004