Μη θερμικά αποτελέσματα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας 900 MHz στο κολλαγόνο εγκεφάλου επιμύων: χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και ανάλυσης εικόνας

Abstract

In the late 20th century the rapid development of mobile telephony networks resulted in an extended exposure of general public in electromagnetic fields in the frequency region between 860 - 1800 MHz, on an everyday basis. For the first time this kind of radiation had such a commercial use. So far the studies on the possible biological effects of non-ionizing electromagnetic radiation were restricted in the socalled thermal effects, which require exposures in high intensity fields.The uncontrolled use of mobile phones gave rise to the public interest on the non-thermal effects following a low intensity field exposure. The development of an appropriate experimental set-up is one of the most important stages in a relative study. One of the main concerns is to ensure that all the 'targets', in this case rats, absorb the same amount of energy, which additionally has to be estimated, during the irradiation. For the present study the set-up is based on a non-modulated 910 MHz electromagnetic waves generator, which was constructed within our laboratory, and on a commercial λ/2 dipole antenna. In addition, we used two specially designed Plexiglas cages, each with a capability of hosting two rats. The two cages were placed next to the antenna on the azimuth level. The numerical calculations through the FDTD method showed that the four rats absorb the same amount of energy. The maximum occurs in the brain region and corresponds toa SAR value of 0.42 W/Kg. The energy that the mobile phone users absorb is of the same level. The rats were divided in groups according to their gender and age. Each group was irradiated for thirty consecutive days, two hours daily. At the end of the irradiation arachnoid and dura mater were removed from the brain for further analysis. The collagen structure in the above mentioned tissue was studied by means of electron microscopy and image analysis. A comparison was made with shamexposed animals. Under the present experimental conditions a number of statistically significant alterations were observed in irradiated tissues. In particular, a decrease in the meanvalue of the collagen fibril diameter was observed and alterations in the axial D periodicity in both, males and females. Disorganization in the fibril architecture was observed only in males. As hydrophobic interactions like Η-bonds are one of the primary stability factors in the collagen molecule, they seem to maintain a significant role in the interaction between electromagnetic radiation, in the frequency region of 1 GHz, and collagen. Finally, a preliminary theoretical study was undertaken in order to seek information on the fundamental mechanism by which electromagnetic fields influence collagen and as a consequence proteins. It was shown that collagen can be considered as a target for electromagnetic waves and consequently a model for the study of non ionizing radiation biological effects.

Στα τέλη του 20ου αιώνα η ραγδαία ανάπτυξη των δικτύων κινητής τηλεφωνίας είχε σαν αποτέλεσμα την καθημερινή έκθεση των πολιτών σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία στην περιοχή συχνοτήτων από 860-1800 MHz. Για πρώτη φορά αυτού του είδους η ακτινοβολία έτυχε τέτοιου εύρους εμπορικής χρήσης. Μέχρι τότε οι μελέτες για τις πιθανές βιολογικές επιδράσεις της μη ιονίζουσας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας περιορίζονταν στα θερμικά αποτελέσματα, που όμως προϋποθέτουν έκθεση σε πεδία μεγάλης ισχύος. Η εκτεταμένη και ίσως υπερβολική χρήση των συσκευών κινητής τηλεφωνίας έδωσε το έναυσμα για την διερεύνηση των μη θερμικών αποτελεσμάτων, κατά την έκθεση σε πεδία χαμηλής ισχύος. Η ανάπτυξη μιας κατάλληλης πειραματικής διάταξης αποτελεί το πρώτο και ένα από τα σημαντικότερα στάδια μιας τέτοιας μελέτης. Κύριο μέλημα είναι η εξασφάλιση της ίσης απορρόφησης ενέργειας από όλα τα πειραματόζωα που ακτινοβολούνται ταυτόχρονα καθώς και η αριθμητική εκτίμηση αυτής. Στην παρούσα μελέτη καταρτίστηκε μία διάταξη η οποία βασίζεται σε μια γεννήτρια παραγωγής μη διαμορφωμένων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων συχνότητας 910 MHz, η οποία κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο, καθώς και σε μια εμπορική κεραία τύπου δίπολου λ/2. Επίσης κατασκευάστηκαν δύο κλουβιά από Plexiglas, καθένα από τα οποία μπορεί να φιλοξενήσει 2 επίμυες. Τα δύο κλουβιά τοποθετούνται εκατέρωθεν της κεραίας στο αζιμουθιακό επίπεδο. Η αριθμητική προσομοίωση με τη μέθοδο FDTD έδειξε ότι οι 4 επίμυες απορροφούν το ίδιο ποσό ενέργειας. Το μέγιστο εμφανίζεται στην περιοχή του εγκεφάλου και αντιστοιχεί σε τιμή SAR (Specific Absorption Rate) ίση με 0.42W/Kg. Αυτή η τιμή είναι πολύ κοντά στην ενέργεια που απορροφούν οι χρήστες συσκευών κινητής τηλεφωνίας. Την ακτινοβόληση των πειραματόζωων, χωρισμένων σε ομάδες ανάλογα με το φύλο και την ηλικία, για 2 ώρες ημερησίως επί 30 ημέρες, ακολούθησε δειγματοληψία σκληράς και αραχνοειδούς εγκεφαλικής μήνιγγας. Με χρήση τεχνικών Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας και Ανάλυσης Εικόνας μελετήθηκαν τα δομικά χαρακτηριστικά του κολλαγόνου των παραπάνω ιστών και έγινε σύγκριση με φυσιολογικούς ιστούς (μη ακτινοβολημένους). Κάτω από τις παρούσες πειραματικές συνθήκες παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές μεταβολές στους ακτινοβολημένους ιστούς. Πιο συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε μείωση της μέσης τιμής της διαμέτρου των ινιδίων του κολλαγόνου και αλλοιώσεις στο μήκος της επαναληπτικότητας της δομής του (και στα δύο φύλα). Ακόμα, στα αρσενικά παρατηρήθηκε αποδιοργάνωση της αρχιτεκτονικής δομής των ινιδίων. Δεδομένου ότι ένας από τους κύριους παράγοντες σταθερότητας της δομής του μορίου του κολλαγόνου είναι οι υδρόφοβες δυνάμεις και πιο συγκεκριμένα οι δεσμοί υδρογόνου, αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν τους τελευταίους ως τα κέντρα αλληλεπίδρασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, στην περιοχή συχνοτήτων του 1 GHz, με το μόριο του κολλαγόνου. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια προκαταρκτική θεωρητική μελέτη με σκοπό την αποσαφήνιση του μηχανισμού αλληλεπίδρασης του συγκεκριμένου ιστού με την μη ιονίζουσα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τα πορίσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι το κολλαγόνο, λόγω της δομής του, είναι πιθανό να αποτελεί προνομιακό στόχο για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και ως εκ' τούτου μπορεί να αποτελέσει μοντέλο για τη μελέτη των βιολογικών επιδράσεων της εν λόγω ακτινοβολίας.