Darbeli elektromanyetik alan uygulamasının (PEMA) beyin hücrelerinde hidrojen peroksit (H2O2) ile indüklenmiş oksidatif stres üzerindeki etkisi
Effect of pulsed electromagnetic field application (PEMF) on hydrogen peroxide (H2O2)-induced oxidative stress in brain cells
Yazar: TUĞÇE ŞİMŞEK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇİĞDEM SARAÇ ; DOÇ. DR. SERDAR KARAKURT
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Darbeli Elektromanyetik Alan (PEMF), termal etkileri indüklemeden doku onarımını hızlandırmak için biyolojik dokuda bir seri elektrik enerjisinin manyetik darbesini kullanan elektromanyetik alanların iyonlaştırıcı olmayan formlarından biridir. PEMF, Alzheimer ve Parkinson hastalıkları gibi bazı nörodejeneratif bozuklukların semptomlarının tedavisine ek olarak, ameliyat sonrası ağrı, yumuşak doku hasarı ve migren gibi çeşitli tıbbi problemler için alternatif bir tedavi olarak kullanılmaktadır. 
Nöronal hücreler, aşırı oksijen ihtiyacı ve serbest radikallere karşı yetersiz savunma mekanizmaları nedeniyle oksidatif strese oldukça duyarlıdır. PEMF doz, frekans, yoğunluk ve süre gibi parametrelerine bağlı olarak nöronlarda oksidatif strese karşı olası sitoprotektif etkilere sahiptir. Glial hücre tipi olan astrositler, merkezi sinir sisteminde oksidatif stresin düzenlenmesinde ve nöronlara fizyolojik destek sağlanmasında çok önemli rollere sahiptir. Erişkinlerde en sık görülen malign astrositik beyin tümörlerinden biri glioblastoma multiforme (GBM)'dir. Bugüne kadar, farklı zaman aralıklarında hidrojen peroksit (H2O2) muamelesiyle oksidatif stresin indüklendiği insan glioblastoma hücrelerinde belirli bir süre içinde belirli bir dozda PEMF maruziyetinin maruziyet sonrası etkilerini inceleyen çalışma bulunmamaktadır. Bu nedenle, mevcut çalışmanın amacı, H2O2 ile muamele edilen insan glioblastoma U87-MG hücrelerinde kısa süreli (15 dakika) 75 Hz frekanslı PEMF maruziyetinin olası etkilerini araştırmaktır. U87-MG hücreleri üç deneysel gruba ayrıldı: (I) sham-kontrol; (II) üç farklı zaman aralığında (sırasıyla 30 dakika, 24 saat ve 48 saat) H2O2 ile muamele edilen hücreler; (III) grup II ile aynı zaman aralıklarında H2O2 muamelesinin ardından PEMF'ye maruz bırakılan hücreler. Daha sonra hücre canlılığı spektrofotometrik olarak ölçülmüştür. Daha sonra hücre gruplarındaki reaktif oksijen türlerinin seviyeleri, glutatyon peroksidaz aktivitesi ve glutatyon miktarı sırasıyla spektroflorometrik, spektrofotometrik ve HPLC teknikleri ile belirlendi. İstatistiksel analiz SPSS yazılım paketi v23.0 kullanılarak yapıldı. Farklı zaman aralıklarında H2O2 ile muamele edilen U87-MG hücrelerinde muamele sonrası PEMF maruziyetinin oksidatif stresin zararlı etkilerine karşı sitoprotektif etkisinin, reaktif oksijen türleri seviyesindeki azalma, hücre canlılığındaki artış, antioksidan moleküllerin aktivite ve miktarında yükselmeyle ilişkili olduğu bulunmuştur. Ek olarak, sonuçlar, PEMF maruziyetinin sitoprotektif etkisinin H2O2 muamelesinin farklı zaman aralıklarına bağlı olarak değiştiğini göstermektedir. Bu bulgular ışığında, oksidatif strese bağlı nörodejeneratif süreçlere ek olarak antioksidan savunma mekanizmaları ve onların tetiklediği redoks-bazlı nöronal yolakların aydınlatılması için PEMF'nin nörofizyolojik etkileri ve altında yatan moleküler mekanizmaların araştırılacağı daha fazla in vivo ve/veya in vitro çalışmalara ihtiyaç vardır. Mevcut çalışmanın, PEMF maruziyeti ile aktive edilen moleküler, biyokimyasal ve hücresel süreçlere odaklanan daha ileri çalışmalara ışık tutabileceğine ve biyomedikal uygulama alanlarını genişleterek alternatif tedavi yöntemleri bulmayı sağlayabileceğini kanaatindeyiz.

Abstract:
The Pulsed Electromagnetic Field (PEMF) is one of the non-ionizing forms of electromagnetic fields that uses series of magnetic pulses of electrical energy into exposed biological tissue to accelerate tissue repair without induced thermal effects. PEMF has been used as an alternative therapy for various medical problems, including post-operative pain, soft tissue damage, and migraine, in addition to treating symptoms of some neurodegenerative disorders such as Alzheimer's and Parkinson's diseases. 
Neuronal cells are particularly susceptible to oxidative stress due to their excessive oxygen demand and inadequate defense mechanisms against free radicals. PEMF has possible cytoprotective effects in neurons against oxidative stress depending on its parameters such as dose, frequency, intensity, and duration.  Astrocytes, type of glial cells, have crucial roles in regulating oxidative stress in central nervous system as well as providing physiological support to neurons.  One of the most common types of malignant astrocytic brain tumors in adults is glioblastoma multiforme (GBM). Till date, there is no report on the post-exposed effects of a certain dose of PEMF exposure within a certain period in human glioblastoma astrocyte-like cells in which oxidative stress was induced by hydrogen peroxide (H2O2) treatment at different time intervals. Therefore, the present work's goal is to explore the possible effects of short-term (15 min) exposure to 75 Hz frequency of PEMF on H2O2 treated human glioblastoma U87-MG cells. U87-MG cells were divided into three experimental groups: (I) sham-control; (II) cells challenged by H2O2 at three different time intervals (30 min, 24 h, and 48 h, respectively); (III) cells post-exposed to PEMF following H2O2 challenge at same time intervals as group II. Then, the cell viability was measured by spectrophotometrically. Next, levels of reactive oxygen species,  activity of glutathione peroxidase, and  amount of glutathione in cell groups were determined by spectrofluorometric,  spectrophotometric, and HPLC techniques, respectively. Statistical analysis was performed using SPSS software package 23.0. It has been found that the cytoprotective effect of post-PEMF exposure against deleterious effects of oxidative stress triggered by the different time interval of H2O2 treatment in U87-MG cells is mediated by the increase in the cell viability, the elevation in the antioxidant molecules' activity and amount, in addition to the decrease in the reactive oxygen species level. In addition, results suggest that the cytoprotective effect of post-PEMF exposure varies depending on different time intervals of H2O2 treatment. In the light of these findings, further in vivo and/or in vitro studies on neurophysiological effects of PEMFs and their underlying molecular mechanisms are needed to elucidate neurotoxic or neuroprotective role against antioxidant defense mechanisms and their triggered redox-based neuronal pathways in addition to oxidative stress-induced neurodegenerative processes. We firmly believe the present work may shed light on further works focusing on the molecular, biochemical and cellular processes activated by PEMF exposure and may enable to find alternative treatment methods by expanding the fields of biomedical applications.