Pulslu Elektromanyetik Alanın Kemik Mineral Yoğunluğu Üzerine Etkileri Veysi Akpolat 1, Mehmet Siraç Özerdem 2, İsmail Yıldız 3 1 Dicle Üniversitesi, Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı 21280 Diyarbakır 2 Dicle Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Elektronik Mühendisliği Bölümü 21280 Diyarbakır 3 Dicle Üniversitesi, Tıp Fakültesi Biyoistatistik ve Tıbbi Bilişim Anabilim Dalı 21280 Diyarbakır vakpolat@dicle.edu.tr, sozerdem@dicle.edu.tr, iyildiz21@yahoo.com Özet Bu çalışmada, oldukça düşük frekanslı (ELF) pulslu elektromanyetik alanın (PEMF) kemik dokusu üzerine etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır. Çalışmamızda 45 adet dişi Spraque Dawley sıçan kullanıldı. Sıçanlar rastgele on beşerli (n=15) eşit 3 gruba (Birinci grup (overektomi yapılan +PEMF uygulanan grup) grup, ikinci grup overektomi yapılıp herhangi bir uygulama yapılmayan grup (OVX grubu) ve kafes kontrol grubu (üçüncü grup) bölündü. Grup I deki sıçanlara 1.5mT şiddetindeki ve 50Hz frekanslı PEMF 4 saat/gün olacak şekilde 45 gün uygulandı. Tüm grupların sol femur kemiği kemik mineral yoğunluğu (KMY) değerleri ölçüldü. Grupların uygulama öncesi ve 45 günlük uygulama sonrası Sol femur kemiği KMY değerleri, hem kendi aralarında hem de biri birleri ile karşılaştırıldığında; gruplarda anlamlı değişiklik olduğu saptandı (p<0.05). Sonuçlarımız PEMF nın, deneysel osteoporoz modeli oluşturulmuş sıçan larda KMY artışlarına kemik oluşumunu stimüle ederek katkıda bulunabildiği şeklinde yorumlanabilir. Anahtar Kelimeler: Kemik mineral yoğunluğu, Pulslu elektromanyetik alan, Sıçan
1. Giriş Kemikte piezoelektrik ve biyoelektrik potansiyellerin keşfi ile birlikte (1) kemik dokusu üzerine elektromanyetik alan etkileri, ilgi çeken bir araştırma konusu olmaya başlamıştır. Yüzyılımızın başından itibaren günümüze kadar yapılan birçok araştırmada kas ve iskelet sistemi hastalıklarında, manyetik alan terapisinin geleneksel tıbbi tedavi rejimlerine bir alternatif metod olarak kullanılabilirliği (2) araştırılmış ve halen devam etmektedir. Kemik kaybı ile karekterize, yaygın bir halk sağlığı sorunu olan ve medikal tedavi maliyeti oldukça yüksek olan osteoporoz hastalığında, özellikle pulslu elektromanyetik alanın (PEMF) etkilerinin daha belirgin olduğu yapılan çalışmalarla gösterilmiştir (3). Deneysel osteoporoz oluşturulan hayvan modeli kullanarak, darbeli elektromanyetik alanların kullanımının incelendiği araştırmalar, osteoporozu önleyebileceğini göstermektedir (4,5). Pulslu elektromanyetik alanın kemik matriks yoğunluğu artırıcı ve kemik rejenerasyonu uyarıcı etkilerinin olabileceğini gösteren çalışmalar ile birlikte etki mekanizması da araştırılmaya başlanmış ve bu çalışmalarda, osteoclast apoptozisini hızlandırabileceği (6) osteopeniyi geri döndürülebileceği (7,8) gösterilmiştir. Osteoporozu önleyici mekanizmada prostaglandin E2 nin önemli rolü olduğu gösterilmiştir (9). Bu deneysel çalışmada osteoporoz modeli oluşturulmuş farelerde, oldukça düşük frekanslı (ELF) PEMF nın kemik mineral yoğunluğu (KMY) üzerine etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır. 2. Gereç ve Yöntem Çalışmada, lokal etik komite onayı alındıktan sonra Dicle Üniversitesi Deney hayvanları Uygulama ve Araştırma Merkezinden (DÜSAM) temin edilen 250-300gr ağırlığında 45 adet dişi erişkin Spraque Dawley türü sıçan kullanıldı. Sıçanlar deney süresince, normal pellet yem ve çeşme suyu ile beslendi. 20-22 C sıcaklıkta barındırıldı. Sıçanlar rastgele on beşerli (n=15) eşit 3 gruba; Birinci grup (overektomi yapılan +PEMF uygulanan grup), ikinci grup overektomi yapılıp herhangi bir uygulama yapılmayan grup (OVX grubu) ve üçüncü grup (kafes kontrol grubu) olarak bölündü. Grup I deki sıçanlara 1.5mT şiddetindeki ve 50Hz frekanslı PEMF 4 saat/gün olacak şekilde 45 gün uygulandı. Tüm grupların uygulama öncesi ve sonrası sol femur kemiği KMY değerleri ölçüldü. 2.1 Pulslu Elektromanyetik Alan Uygulaması Deney düzeneği olarak, 1.5 mt siddetinde, 50Hz lik kare dalga biçimindeki PEMF üreten özel olarak tasarlanmış elektromanyetik alan uygulama sistemi kullanıldı. Pulslu manyetik alan sistemi, sarım sayısı 125 olan dairesel yapıda, iç çapları 40cm olan ve aralarında 80cm lik bir mesafe bulunan bir çift Helmholtz bobin ve bu bobinlere aynı miktarda (48V, 40A) programlanabilir pulslu akım (PEMF; puls süresi 25µs ve pulse frekansı 50Hz) üreten güç kaynağı kullanıldı (Şekil 1). Dışarıdan oluşabilecek manyetik alan etkileşimlerini önlemek için bobinler düşey olarak bir Faraday kafesi (130x65x80) içine yerleştirildi (Şekil 2).
Şekil 1. Deney sistemine (Helmholtz Bobinlerine) PEMF üreten güç kaynağı ve bağlantıları. Şekil 2. Deney uygulama düzeneği; Faraday kafesi, Helmholtz Bobinleri ve Fleksiglas Kutularda Fareler. Sıçanların uygulama boyunca konuldukları flexiglas kafeslerin içindeki 15 farklı noktada manyetik alan ölçümleri dijital teslametre (Digital Gauss/Teslameter 7030 USA) ile düzenli olarak yapıldı ve ölçüm sonucunda ortalama1.5 mt olarak tespit edildi. 2.2 Kemik Mineral Yoğunluğu Ölçümü Farelerin femur kemiklerinin KMY ölçümleri, çift enerjili X ışını absorbsiyometrisi (DXA) (Hologic, Discovery QDR 4500A, WA, USA) aleti ile yapıldı (Şekil 3). Her çekimden önce üretici firmanın çekim yönergelerine uygun standart small step phantom ile kalibrasyonu yapıldıktan sonra, uygulama öncesi ve uygulama sonrası olmak üzere iki kez small animal modunda ölçüm yapıldı. Standardizasyonu sağlamak için analizler aynı kişi tarafından değerlendirildi.
2.3 İstatiksel Analiz Şekil 3. Kemik yoğunluğu ölçüm cihazı (Hologic Discovery DXA; Dual Energy X-ray Absorbtiometry) Araştırma verilerimizin istatistiksel değerlendirmesinde IBM SPSS 21.0 for windows istatistik paket programı kullanıldı. Ölçümsel değişkenler için ortalama ± standart sapma (mean±sd) kullanıldı. Kategorik değişkenler sayı ve yüzde (%) ile sunuldu.verilerin Normal dağılıma uygunluğu kontrol edildi. İkili karşılaştırmalarda bağımlı t testi kullanıldı. İkiden çok seçenekli grupların karşılaştırılmasında tek yönlü varyans analizi testi kullanıldı. Çoklu Karşılaştırmada Varyans Homojenlik testi uygulandı. Anlamlı bulunan sonuçların ikili karşılaştırılmasında P>0.05 olan değişkenlere Çoklu karşılaştırma testlerinden Dunnett t testi uygulandı. Hipotezler çift yönlü olup, p 0.05 ise istatistiksel olarak anlamlı sonuç kabul edildi. 3. Bulgular PEMF, OVX ve KONTROL gruplarının oldukça düşük frekanslı PEMF uygulaması sonraki değerlerinin karşılaştırılmasında gruplar arasında ileri derecede anlamlı farklılıklar görüldü (Tablo 1). Yani PEMF overektomi uygulanan sıçanların birinci grubunda (PEMF uygulanan grup) kemik doku kaybını önlediği şeklinde yorumlanabilir. Tablo1: PEMF, OVX ve KONTROL gruplarının sonrası değerlerinin karşılaştırılması Grup mean ± SD F df Sig. (2-tailed) Result PEMF 0.38±0.02 OVX 0.33±0.02 38.023 (2.42) p=0.000 p<0.001*** KONTROL 0.36±0.02 p>0.05 ns ise önemsiz, P<0.05 * ise önemli, P<0.01 ** ise çok önemli, P<0.001 *** ise ileri düzeyde önemli PEMF, OVX ve KONTROL gruplarının üçlü karşılaştırılmasında hangi iki grubun etkili olduğu analiz edildi. Analiz sonucunda PEMF ile OVX, PEMF, OVX ile KONTROL ve OVX ile KONTROL gruplarının kendi aralarında ikili karşılaştırmalarında da anlamlı fark olduğu görüldü (Tablo 2). Bu bulgulara göre kontrol grubu ile birinci grup arasındaki anlamlı farklılığın, PEMF uygulamasının kemik kaybını önlemekle birlikte kemik yapımını da uyardığı şeklinde yorumlanabilir.
Tablo2: PEMF, OVX ve KONTROL gruplarının ikili Karşılaştırması Grupların ikili karşılaştırması mean ± SD Result PEMF 0.38±0.02 OVX 0.33±0.02 p<0.05 * PEMF 0.38±0.02 KONTROL 0.36±0.02 p<0.05 * OVX 0.33±0.02 KONTROL 0.36±0.02 p<0.05 * p>0.05 ns ise önemsiz, P<0.05 * ise önemli, P<0.01 ** ise çok önemli, P<0.001 *** ise ileri düzeyde önemli Daha sonra grupların kendi içinde, önce ve sonraki değerlerinin karşılaştırılması yapıldı. PEMF, OVX ve KONTROL gruplarının üçünde de öncesi ve sonrası değerleri arasında anlamlı fark görüldü (Tablo3). Bu sonuçlar göstermektedir ki, PEMF östrojen eksikliğine bağlı oluşan kemik mineral yoğunluk kaybını baskılayarak aynı zamanda kemik yapımını da uyarmaktadır şeklinde yorumlanabilir. Tablo3: PEMF, OVX ve KONTROL gruplarının önce ve sonra değerlerinin karşılaştırılması Grupların önce ve sonralarının mean ± SD karşılaştırılması t df p Result PEMF önce 0.28±0.02 PEMF sonra 0.38±0.02-21.154 14 p=0.000 p<0.001*** OVX önce 0.27±0.01 OVX sonra 0.33±0.02-20.979 14 p=0.000 p<0.001*** KONTROL önce 0.34±0.02 KONTROL sonra 0.36±0.02-5.370 14 p=0.000 p<0.001*** p>0.05 ns ise önemsiz, P<0.05 * ise önemli, P<0.01 ** ise çok önemli, P<0.001 *** ise ileri düzeyde önemli 4. Tartışma Overleri alınarak deneysel osteoporoz modeli oluşturduğumuz fareler üzerinde PEMF uygulamasının kemik kitle kaybını önleyebildiği bu çalışmada gözlemlenmiştir. Biyolojik sitemin temel yapı taşı olan hücrede birçok olay elektriksel alan ve güçler tarafından belirlendiğinden, dışarıdan uygulanan elektromanyetik enerji etkileşimleri atom ve moleküller arasında var olan dengeyi biyokimyasal işlevleri ve dolayısıyla hücrelerin ve dokuların işleyişini etkileyebilmektedir. Non-invazif ve pratik bir yöntem olan oldukça düşük frekanslı PEMF, dokularda zaman değişkenli akım oluşumuna neden olur ve kemik yapımını (osteogenez) artırıcı potansiyele sahiptir. Asimetrik geniş bantlı vurular atermal olarak bazı biyolojik süreçleri etkiler. Bu süreçlerden bazıları biyolojik sistemlerdeki patolojik evreleri onarma yeteneğine sahip görünmektedir (10). Özellikle kemik doku üzerindeki etkileşimlerin araştırılması neticesinde oldukça önemli bulgular gözlemlenmiştir. Zohou ve ark. overektomi uygulayarak osteoporoz modeli oluşturdukları farelerde, PEMF uygulamasının RANKL ve osteoproteogerin salınımını regüle ederek kemik kaybının önlenebileceğini göstermişlerdir (11). Kenner ve ark. 5Hz PEMF uygulaması ile osteoporozlularda kemik kaybını önlemeyi başarmışlardır (12). Martin ve Gutman günde 8 saatlik uygulamanın 2 saatlik uygulamadan daha etkili olduğunu saptayarak, EMF nin osteoporoz üzerine olan etkisinin süreye bağlı olduğunu saptamışlardır (13). Jing ve ark. çalışmalarında, PEMF uygulamasının gece ve gündüz (sirkadiyen) ritmine göre farklı olabileceğini göstermişlerdir (14). Amerika ilaç
dairesinin (FDA) izni ile 1980 yılında PEMF, özellikle geç iyileşen kırıklarda iyileşmeyi hızlandırmak için tedavide kullanılmaya başlanmıştır. Bassett (1989) bir çalışmasında PEMF in osteoporozu önlemede önemli bir rolü olduğunu göstermiştir (10). Xu et al. (2004), benzer frekans ve sürelerde PEMF uygulamasının kemik kaybını önleyebileceğini bulmuşlardır (15). Markov (2007) o güne kadar yapılan birçok araştırmanın derlemesinde; farklı süre, frekans ve yoğunluklarda PEMF uygulamalarının sonuçlarının da farklı olabileceğini göstermiştir (16). Günümüze kadar yapılmış çok sayıda çalışma, elektromanyetik enerji uygulamalarının biyolojik sistemdeki dokuların özelliğine bağlı değişik düzeylerdeki etkilenmeleri ve sonuçları olduğunu göstermiştir. Sonuç olarak yapmış olduğumuz bu deneysel çalışmada, PEMF uygulamasının kemik kaybını önleyebileceği gösterilmiştir. Ancak PEMF uygulamasının etkili olabileceğini mekanizmaları ile açıklayan birçok çalışma olmasına rağmen, enerji düzeyleri ve etkileşimlerini standardize edecek tam bir fikir birliği sağlanamamıştır. Bu ve gelecekte yapılacak benzer çalışmaların fikir birliğinin sağlanması için literatüre katkı sunabilecek çalışmalar olduğunu düşünmekteyiz. 5. Kaynaklar 1.Fukada E. Yasuda L. On the piezoelectric effect of bone. J Physiol Soc Japan.1957;12: 1158-1162. 2.Vallbona C. Richards T. Evolution of magnetic therapy from alternative to traditional medicine.phys Med Rehabil Clin N Am. 1999 Aug;10(3):729-54. 3.Rubin CT. McLeod KJ. Lanyon LE. Prevention of osteoporosis by pulsed electromagnetic fields. J Bone Joint Surg Am. 1989 Mar;71(3):411-7. 4.Zati A. Gnudi S. Mongiorgi R. Giardino R. Fini M. Valdrè G. Galliani I. Montagnani AM. Effects of pulsed magnetic fields in the therapy of osteoporosis induced by ovariectomy in the rat. Boll Soc Ital Biol Sper. 1993 Jul-Aug;69(7-8):469-75. 5.Sert C. Mustafa D. Düz MZ. Akşen F. Kaya A. The preventive effect on bone loss of 50-Hz. 1-mT electromagnetic field in ovariectomized rats. J Bone Miner Metab. 2002;20(6):345-9. 6.Chang K. Chang WH. Tsai MT. Shih C. 2006 Pulsed Electromagnetic Fields Accelerate Apoptotic Rate in Osteoclats. Connective Tissue Research; 47: 222-228. 7.Rubin CT. Donahue HJ. Rubin JE. McLeod KJ.1993. Optimatization of electric field parameters for the control of bone remodeling: Exploitation of an indigenous mechanism for the prevention of osteopenia. J Bone Miner Res; 8:S573-S581. 8.Rubin CT. McLeod KJ. Inhibition of osteopenia by biophysical intervention. In: Marcus R. Feldman D. Kelsey J (Editors). Osteoporosis. San Fransisco: Academic Pres; 1996. 9.Chang K. Chang WH. Pulsed electromagnetic fields prevent osteoporosis in an ovariectomized female rat model: a prostaglandin E2-associated process. Bioelectromagnetics. 2003 Apr;24(3):189-98. 10.Bassett CA. Fundamental and practical aspects of therapeutic uses of pulsed electromagnetic fields (PEMFs). Crit Rev Biomed Eng. 1989;17:451-9. 11.Zhou J. Chen S. Guo H. Xia L. Liu H. Qin Y. He C. Pulsed electromagnetic field stimulates osteoprotegerin and reduces RANKL expression in ovariectomized rats. Rheumatol Int. 2013 May;33(5):1135-41. 12.Kenner GH. Gabrielson EW. Lovel JE. Marshall AE.1975 Electrical modification of disuse osteoporosis. Calcif Tissue Res 23: 111 117 13.Martin RB. Gutman W. 1978 The effect of electric fields on osteoporosis of disuse. Calcif Tissue Res 25: 23 37 14.Jing D. Shen G. Huang J. Xie K. Cai J. Xu Q. Wu X. Luo E. Circadian rhythm affects the preventive role of pulsed electromagnetic fields on ovariectomy-induced osteoporosis in rats. Bone. 2010 Feb;46(2):487-95. 15.Xu QL. Lu LH. Luo EP. Shen GH. Liu DH. Hua QZ. Wu XM. Li LR. 2004. Effects of low intensity PEMFs on bone mineral density and histomorphometry in SD rats. J Fourth Mil Med Univ 25:2004 2006. 16.Markov M. 2007. Pulsed electromagnetic field therapy history. state of the art and future. The Environmentalist 27:465 475.