Revista Colombiana de Física, Vol. 43, No. 2 de 2011.
Análisis Del Efecto Sobre La Capacitancia De Eritrocitos Humanos Expuestos A Campo Magnético Débil De Frecuencia Extremadamente Baja (FEB) Analysis Of The Effect On Capacitance Of Human Erythrocytes Exposed To Magnetic Weak Field Extremely Low Frequency (ELF) L. Bedoya * b, J. Torres a, b, A. Orozco c a
Grupo de Propiedades Magnéticas y Magnetoópticas de Nuevos Materiales, Departamento de Física, Universidad de Caldas, Sede principal. Manizales, Colombia. b Universidad Tecnológica de Pereira, A. A. 097 La Julita Pereira, Colombia. c Grupo de investigación en Instrumentación y Control, Programa en Ingeniería eléctrica, Universidad Tecnológica de Pereira, A. A. 097 La Julita Pereira, Colombia. Recibido 02.04.10; Aceptado 05.09.10; Publicado en línea 04.09.11.
Resumen Se presentan los resultados de la exposición de eritrocitos humanos a campo magnético de frecuencia extremadamente baja (FEB) con densidad de flujo magnético débil. Las células están en condiciones estériles, y a temperatura y presión ambiente. Las variables definidas para la exposición son la densidad de flujo magnético (1,00 mT ± 0,08 % y 1,50 mT ± 0,08 %) y el tiempo de exposición (1,0; 3,0; 5,0; y 7,0 minutos); el cruce de estos parámetros genera quince tratamientos más uno de control; las capacitancias de los tratamientos son medidas once veces, antes y después de cada exposición. Para el desarrollo de este experimento se implementó un dispositivo que mide de manera indirecta la capacitancia de la membrana celular, para células en suspensión a temperatura ambiente. Este dispositivo opera de forma automática, por medio de software desarrollado bajo ambiente LabVIEW, y presenta un valor de capacitancia. Palabras clave: Eritrocito; Exposición; Campo magnético débil; Capacitancia.
Abstract The results of the exposure of human erythrocytes in sterile conditions and at ambient temperature and pressure, to a magnetic field of extremely low frequency (ELF) with weak magnetic flux density are presented. Variables defined for the exposure are the magnetic flux density (1,00 mT ± 0,08% and 1,50% ± 0,08 mT) and the exposure time (1,0; 3,0; 5,0; and 7,0 minutes); the crossing of these parameters generates fifteen plus one control treatment; the capacitances of the treatments are measured eleven times, before and after each exposure. For the development of this experiment, it was implemented a device that indirectly measured the cell membrane capacitance, for cells in suspension at room temperature. This device operates automatically, through software developed under LabVIEW environment, and presents the value of a capacitance. Keywords: Erythrocytes; Exposure; Weak magnetic field; Capacitance. PACS: 87.50.cm. © 2011 Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados.
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Rev.Col.Fís., Vol. 43, No. 2 de 2011.
1.
especialmente, y haciendo uso de sistemas físicos, determinaron parámetros tanto eléctricos como dimensionales, relacionándolos para determinar la capacitancia en los eritrocitos [9]. Estos investigadores, en 1933, aplicaron el tratamiento teórico de Maxwell al cálculo de la capacitancia específica de la membrana de los eritrocitos, obteniendo un valor de 0,81 µF/cm2, y calcularon su grosor en 3,3 nm, lo que equivale aproximadamente a la longitud de 1 molécula [9].
Introducción
Los campos magnéticos (CM) constituyen uno de los agentes físicos de mayor presencia a nivel ambiental y, por su crecimiento a escala global ocasionado por el desarrollo de determinadas industrias y tecnologías, ha generado incertidumbre y especulación en la población general. Actualmente, todas las regiones del mundo están expuestas a campos magnéticos en mayor o menor grado, y conforme avancen las tecnologías cuyos usos se fundamentan en la utilización de estos campos, el grado de exposición humana a ellos continuará creciendo [1].
Ronald Glaser investigó mecanismos de transporte de sodio en eritrocitos humanos [10], y transporte de calcio en eritrocitos expuestos a campo magnético (CM). Pero se reportó que las membranas celulares, al ser expuestas al campo electromagnético de 50 Hz no sufrieron cambio; sin embargo, con la variación de la temperatura sufrieron modificaciones que permitieron inferir que los campos electromagnéticos no ejercieron una influencia directa en ellos [12].
El estudio del efecto del campo electromagnético en nuestro país se ha enfocado hacia el análisis de los efectos de la radiofrecuencia y, en menor medida, de las frecuencias extremadamente bajas. Respecto a estas últimas, se presentan trabajos relacionados con la simulación de perfiles de campo [2], medición de campos [3], [4], y estudios teóricos de los efectos de estos campos [5], [6]; pero no se reportan resultados de investigaciones nacionales dirigidas a la exposición o estimulación de material biológico humano a campo magnético de frecuencia extremadamente baja (60 Hz).
2.1 Características eléctricas del eritrocito Los eritrocitos tienen entre sus características eléctricas, la capacitancia, de la que se conocen valores típicos que, para el caso, son de 0,8 µF/cm2 [9], [10]. Los eritrocitos en suspensión se modelan igual que un arreglo de elementos RC en paralelo.
De otra manera, a nivel celular, los CM disponen de una cantidad de energía por fotón que es insuficiente para provocar destrucción de las células, pero suficiente para generar cambios en su morfología, metabolismo, reproducción o duración de la vida celular [5]. Por otro lado la ausencia de mutaciones del material genético en el núcleo de las células, la naturaleza dispersa y el bajo rango de efectos notorios a altos niveles de exposición, son todos factores a favor de la conclusión de ausencia de potencial cancerígeno de los CEM de FEB [7].
Otra característica eléctrica de los eritrocitos se relaciona con el hecho de que la hemoglobina (Hb) y la mioglobina (Mb) son sustancias paramagnéticas, por lo que los campos magnéticos podrían influir en su comportamiento y en las reacciones bioquímicas con participación de los radicales libres [8]. 3.
Ahora, buscando elementos de juicio propios, se deben iniciar estudios en nuestra región que permitan plantear los probables efectos que el CM de FEB pueda generar a nivel celular, se ha escogido el eritrocito como elemento biológico del experimento debido a la facilidad para la extracción y manejo de este tipo de célula y porque hay gran número de investigaciones que sugieren que hay efectos en los eritrocitos humanos por exposición a campo magnético. Además, por el contenido de Fe en la hemoglobina (Hb) y la mioglobina (Mb), lo que le infiere a los eritrocitos un comportamiento paramagnético [8], y que constituye un concepto fundamental en la motivación para la elaboración de este trabajo. 2.
Materiales y métodos
Para el desarrollo de este experimento se implementó un dispositivo que mide de manera indirecta la capacitancia de la membrana celular, para células en suspensión a temperatura ambiente. Este dispositivo opera de forma automática por medio de software desarrollado bajo ambiente LabVIEW. La capacitancia se midió antes de la exposición y luego de ésta, para cada tratamiento. 3.1 Método de determinación de la capacitancia Para la medición de la capacitancia se usa el procedimiento planteado por Fricke y citado por Ferrero en [9], que sigue la ecuación (1).
Fundamento teórico
Cm =
Los primeros trabajos relacionados con la medición de la capacitancia de los eritrocitos humanos fueron realizados por los investigadores Fricke y Cole, quienes, partiendo del estudio de células en suspensión,
I Senφ d , ωV 3πr04 nS
(1)
donde I es la corriente que circula por el cúmulo de eritrocitos, V es el voltaje en terminales de los electrodos, ω es la frecuencia de la señal de alimentación, φ el desfase
206
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entre las señales de voltaje y corriente, d es la separación entre electrodos r0 el radio de un eritrocito, S es el área de los electrodos y n es la concentración de eritrocitos en la cámara.
voltaje variable (variac digital); la densidad de flujo magnético se mide con un teslametro implementado por el grupo, usando un sensor FW Bell BH701. Esta medida se efectúa para determinar si las células fueron expuestas a una densidad homogénea de flujo magnético. Además, para este fin se caracterizaron las bobinas y se encontró un campo homogéneo del 99 %, en una zona central con volumen mayor que el de los tubos Eppendorf.
3.2 Exposición del material al campo magnético Las variables definidas para la exposición son: la frecuencia (60 Hz), la densidad de flujo magnético (1,0 mT y 1,5mT) y el tiempo de exposición 1,0, 3,0, 5,0 y 7,0 (minutos); el cruce de estos parámetros genera once (11) tratamientos más uno de control.
3.5 Campo magnético ambiental Para la realización de los experimentos se verificó que no hubiera líneas de distribución eléctrica, transformadores o motores cerca. También se midieron los valores de densidad de flujo magnético en el lugar de experimentación, obteniéndose 35 µT en DC y 20 µT a 60 Hz.
3.3 Preparación de los eritrocitos La muestra de sangre extraída a un adulto joven y sano se deposita en tubos vacutainer, con 50 µl de solución de EDTA, y se centrifuga a 15.000 rpm durante 15 minutos, para descartar el sobrenadante (plasma). Los eritrocitos aislados se depositan en tubos Eppendorf para ser expuestos a campo.
3.6 Proceso de medición El proceso de exposición y de medición de la capacitancia se efectuó bajo condiciones ambientales normales. En la parte de medición se usa un sistema instrumental que entrega las señales necesarias para que el programa realice los cálculos determinados por la ecuación (1).
Paralelo al anterior procedimiento, para determinar si hay cambios morfológicos, se toma sangre completa, se realiza extendido y se analiza la morfología de los eritrocitos antes y después de la exposición. También, se efectúa reconteo de glóbulos rojos (RGR), y se determina el hematocrito (Hto) por centrifugación. Con el RGR y el Hto se determina el volumen corpuscular medio (VCM), usando la ecuación 2. RGR VCM = *10 Hto
4.
Resultados y discusión
Aunque el número de tratamientos que se realizaron son pocos, dada la dificultad implícita que el procedimiento tiene, se encontró que al exponer eritrocitos humanos en suspensión a campo magnético de frecuencia industrial, estos se ven afectados en su valor de capacitancia por tal estímulo externo, como se puede apreciar en la tabla 1.
(2)
Tabla No.1: Capacitancia de eritrocitos expuestos a densidad de flujo magnético de 60 Hz.
Fig. 1: Detalle del sistema de generación de campo magnético y posición del tubo Eppendorf.
Tiempo de exposición (minutos)
1,0 mT
Cm (µF/cm2) 1,5 mT
0
1,90
1,90
1
1,16
0,88
3
2,05
0,74
5
1,40
1,74
7
1,69
0,96
También se nota que no hay tendencias determinantes en las variaciones de la capacitancia. Ahora, de los valores presentados en la tabla 2, se infiere que se pudo dar un cambio en el espesor de la bicapa lipídica o que hubo activación o inhibición de algunas proteínas. Por otro lado, se presentaron cambios en el RGR del hematocrito y en el VCM (ver tabla 2). Al analizar el comportamiento de estas
3.4 Sistema para la exposición a campo magnético Para realizar la exposición controlada del material biológico a campo magnético débil, se utilizó un par de bobinas de Helmholtz, como el presentado en la figura 1. Estas se alimentan con una fuente de corriente alterna, con 207
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variables, se puede considerar, en primera instancia, que al darse variaciones del VCM, el cambio en la capacitancia sí se puede relacionar con variaciones en el espesor, debidos estos a tensiones sufridas por la membrana, dado el aumento del VCM. Este aumento en el volumen se puede dar por ingreso de algún ion, debido a activación de proteínas. Por otro lado, no se pudo inferir algo acerca de la razón por la que hay disminución en el RGR.
[2] Torres, J. y Salazar, J. Modelamiento y simulación de campo magnético a frecuencia extremadamente baja en circuitos secundarios. Revista Scientia et Tecnica año XI No 29 Dic 2005 p 37-41. [3] Escobar, E. et al. "Evaluación del campo magnético al que están expuestos los trabajadores de subestaciones y circuitos energizados de las empresas de energía". En VII Congreso Latinoamericano y IV Iberoamericano en Alta Tensión y Aislamiento Eléctrico (ALTAE). IEEE. 2005.
Tabla No. 2: Características del eritrocito expuesto a densidad de flujo magnético de 1,0 mT, durante diferentes tiempos de exposición.
5.
T. exposición (minutos)
RGR (106/mm3)
Hto %
Hb g/dl
VCM (fl)
Control
5,060
45
14,5
90
1
5,060
45
14,5
88
3
3,800
43
14,5
113
5
4,820
50
---
104
7
4,990
52
---
106
[4] Aponte, G. et al. "Electric and magnetic fields measured in Colombian lines substations. In International Symposium on Electromagnetic Compatibility" (IEEE). Estambul. Turquía. 2003. [5] Torres J y Alzate, L. "Efectos de las radiaciones electromagnéticas no ionizantes en 432 sistemas biológicos". Revista medica del Risaralda. Vol 12 Nº 2 2006. p. 44-54. [6] Cadavid, H, Aponte, G y Moncada, M. Los campos Magnéticos a 60 Hz y sus posibles efectos en la salud. Ingeniería y Competitividad. 2003.
Conclusiones
[7] Gomez, R et al. 25 Hz electromagnetic field exposure has no effect on cell cycle distribution and apoptosis in U-937 and HCA-2r1cch cells. Bioelectrochemistry 2000; 53: 137-140.
El campo magnético débil (1,0 mT y 1,5 mT) de 60 Hz afecta los eritrocitos humanos en suspensión, respecto a parámetros morfológicos y eléctricos como la capacitancia, pero no se puede asegurar que suceda en condiciones normales, en sangre completa. Además, no se puede determinar cuál de los factores implícitos, tiempo de exposición o densidad de flujo magnético, es el determinante en la afectación de los eritrocitos.
[9] Ferrero, J. Bioeléctronica: “Señales Bioeléctricas”. España: Universidad Politécnica de Valencia. Servicio de publicaciones. 1994. Apéndice 3.1. [10] Glaser, R. Biofísica. Berlin, Heidelberg: Editorial Acribia. S.A. 2001.
Estos resultados generan la necesidad de continuar con la investigación, con un número más amplio de tratamientos, usando equipos más precisos como el Patch Clamp.
[11] Glaser, R. Michalsky, M. Schramek, R. Is the Ca2+ transport of human erythrocytes influenced by ELFand MF- electromagnetic fields? Berlin, Germany. 1998.
Referencias
[12] Barnes, F y Greenebaum, B. Biological and Medical Aspects of Electromagnetic Fields: Handbook of Biological effects of electromagnetic fields. (3 ed) London, New York. 2007.
[1] Ph. D. T. Emilie van Deventer, Lisa Ravenscroft. Proyecto CEM. Organización Mundial de la Salud (OMS). 2007.
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