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ESTABILIZADOR INDUCTIVO MAGNÉTICO

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Fuente:

C.T.Breghton and S.R. Pollack, Eds., Electromagnetics in Biology and Medicine

Copyright © 1991 by San Francisco Press, Inc., Box 6800, San Francisco, Ca 94101-6800 U.S.A

Principios físicos y biológicos que influyen en las biorespuestas electromagnéticas debiles elf (baja frecuencia extrema)

C.A.L. Bassett
Columbia University

Durante los últimos 45 años se ha hecho paulatinamente más claro que varios tipos de células “no excitables” modifican su comportamiento cuando ocurren cambios apropiados en su micro ambiente eléctrico. Existe una substancial cantidad de evidencia apoyando esta declaración tanto a nivel laboratorio como a nivel clínico. El objetivo de esta presentación es el de examinar áreas selectas de investigaciones de laboratorio y de enfocar la atención en las complejidades inherentes en la investigación de este tipo. La lista de detalles experimentales expuesta en la tabla 1 surgió a partir de 30 años de experiencia personal en investigación orientada a desenmascarar algunos de los misterios en torno a los efectos de campos magnéticos y eléctricos en el comportamiento y función de las células.

La decisión de delimitar el tema de “estimulación eléctrica” a campos magnéticos y eléctricos con variación en el tiempo esta basada en su predominancia en la utilización terapéutica. Se puede obtener un índice de la creciente atención enfocada por las comunidades científicas y clínicas a los bioefectos de estos campos al comparar el primer programa de BRAGS (Bioelectrical repair and growt society- Sociedad de crecimiento y reparación bioeléctrica) con el programa de su décima reunión anual. En 1981 solo el 40% de las presentaciones en “estimulación” se basaban en campos. Este porcentaje se ha casi duplicado a 76% en el presente programa. De hecho el título de esta publicación, Electromagnetismo en Biología y medicina, reflejan este cambio.

Cuando BRAGS fue organizado hace 10 años con el impulso del grupo en la Universidad de Pennsylvania, mucha de la investigación fue concentrada en electrodos. Aunque la tecnología de electrodos aun esta siendo utilizada clínicamente para pacientes selectos y localizaciones anatómicas específicas, la gran mayoría de los individuos siendo tratados con métodos terapéuticos basados en electricidad son tratados con campos electromagnéticos pulsatiles- PEMF’s- (pulsed electromagnetic fields). Es un hecho que en la década en que BRAGS comenzó su importante labor, casi un cuarto de millón de pacientes alrededor del mundo han sido tratados con PEMF’s.

Definitivamente hay pocas, si es que alguna área de investigación biológica en donde el requerimiento para el esfuerzo interdisciplinario es tan agudo como en el biomagnetismo. La Física, Biología, Bioquímica, Genética, Ingeniería y la Medicina juegan un papel crítico en la definición y análisis de un experimento dado o estudio clínico y de sus resultados. Por ejemplo, no se puede asegurar un resultado valido si sólo se pone atención a los principios de la física y se desatienden aspectos importantes de la biología celular. Es obvio que dentro de una fórmula de factores múltiples , todos los elementos pueden estar correctos y sólo uno no estarlo, y aún así se obtendrá un resultado incorrecto.

Antes de examinar los factores experimentales que se tienen que tomar en cuenta por aquellos que trabajan en el campo del bioelectromagnetismo, debemos enfatizar que hasta hace muy poco tiempo los físicos no tenían ninguna teoría que explicase los bioefectos de la exposición a un campo electromagnético sin tener que invocar un mecanismo térmico. Estaban entonces impedidos de poder exponer un mecanismo físico razonable para definir los efectos no térmicos del campo débil y los resultados de los investigadores trabajando en el extremo de la baja frecuencia (ELF) dentro del espectro electromagnético. Esta situación, en combinación con los resultados conflictivos de diferentes laboratorios usando aparentemente condiciones experimentales semejantes, crearon en los primeros días una sombra de duda en la validez de los reportes positivos de laboratorio o clínicos.

Con un esfuerzo interdisciplinario en expansión, muchas de las variables que pueden afectar los resultados se han podido controlar. Como resultado la reproducción de alguna manera se ha mejorado. Simultáneamente, las primeras hipótesis físicas de los bioefectos de los campos débiles habían sido presentadas. La más sostenible de ellas es la resonancia paramétrica, que a sido definida por Lednev de Rusia. Evidencia experimental desarrollada por su grupo sugiere sólidamente que los efectos cuánticos están en juego, específicamente en el ligamento de la liga Ca2+ a la calmodulina. Sus resultados parecen trascender algunas de las inconsistencias inherentes a la teoría de la resonancia ciclotrón del ion, que fue el primer mecanismo físico ampliamente examinado para explicar los bioefectos de los campos magnéticos débiles ELF.

Quizás el aspecto más confuso del asunto mecanisista para muchos investigadores radica en los intentos por definir el mecanismo de los efectos de campo en un biosistéma. Este acceso parece condenado al fracaso, puesto que la evidencia de la que se dispone de que hay múltiples niveles en el que los mecanismos (plural) pueden ser definidos como son los niveles; físico, bioquímico, subcelular, celular y fisiológico. De hecho, para definir los mecanismos en juego, tendríamos probablemente que comenzar a nivel quark e ir subiendo o comenzar con el organismo e ir bajando. La tarea de traer algún orden mecanisista del caos esta además compuesta por la multiplicidad de factores físicos y biológicos que interactúan y que determinan si existirá una respuesta y si esta se da cuál es su naturaleza(s).

Existe a la fecha una gran cantidad de evidencia que demuestra que con diferentes parámetros de campos se producirán diferentes efectos en diferentes objetivos biológicos (biotargets) en diferentes tiempos, bajo diferentes condiciones de exposición.

 

Esta información está por abajo de lo pronosticado por el autor a mediados de los 70 y que era “alteraciones eléctricas precisas en la cercanía de la célula (producidas por campos magnéticos-variantes en el tiempo-externo) pueden producir cambios específicos en el comportamiento de la célula….. Con la distribución adecuada de energía en tiempo y cantidad, calidades “informacionales” pueden ser impartidas a la señal que propiciará respuestas celulares deseables.

Preguntar cuál es el mecanismo de acción de los campos magnéticos para alterar el comportamiento biológico es tan improductivo como preguntar “¿Cuál es el mecanismo de acción de las drogas?” sin especificar su elemento, las condiciones de su uso, y su propósito terapéutico.

El estado embrional del entendimiento de las bases físicas atérmicas aparte del conocimiento de los mecanismos de los PEMF’s (campos magnéticos electromagnéticos pulsátiles) en su acción a niveles celulares, subcelulares y bioquímico ha crecido rápidamente en la ultima década. No es posible revisar esa cuantiosa información en este trabajo. Sin embargo hay una extensa documentación que aparece en una publicación reciente. Basta decir que en los procesos patológicos en los que se ha usado el PEMF con éxito terapéutico se conoce tanto de sus mecanismos como se conoce el de la aspirina. Por ejemplo, la farmacopea de los E.U. define el mecanismo de acción de la aspirina en términos químicos: “Los salicilatos inhiben la actividad de la enzima ciclo-oxigenasa para disminuir la formación de precursores de prostaglandinas y tromboxanes del ácido araquidónico. Esta definición, que es considerada suficiente en términos farmacológicos, no contiene explicaciones de efectos en términos biofísicos, a pesar del hecho que todas las reacciones químicas son reflejo de interacciones específicas de carga-a-carga.

Definiciones precisas de las consecuencias estructurales, funcionales y bioquímicas de la exposición de sistemas vivientes a campos específicamente configurados pueden proporcionar una mecanistica racional para expander las indicaciones terapéuticas. Por ejemplo se sabe que ciertos tipos de configuraciones de campo (pero otros no) ejercen un potente efecto angiogénico. Otros campos han modificado la acción de los bloqueadores del canal Ca++. Estos dos mecanismos de acción biológica/bioquímica parecen justificar en términos “farmacológicos”, aplicaciones terapéuticas en algunos problemas cardiovasculares y otros desordenes en los que las respuestas biológicas pueden muy bien producir efectos benéficos. Este punto que ha sido frecuentemente cuestionado en el pasado por el autor, ahora aparece tener respaldo por los hallazgos preliminares recientes.

Antes de describir factores biológicos y celulares que pueden afectar las respuestas experimentales durante la exposición de biosistemas a campos electromagnéticos débiles ELF, es apropiado considerar elementos del campo mismo que han mostrado influir en los resultados. Lo significativo de cada uno de estos elementos ha sido demostrado experimentalmente en varios laboratorios. El espacio del que dispongo en esta presentación no permite citas extensas y solo se mencionan las publicaciones representativas. La tarea de definir los parámetros de campo bioactivos es complicado por la interacción de un número de factores, algunos de ellos son:

  1. Un conductor en movimiento en un campo magnético estático desarrolla una corriente que depende de la intensidad de campo, de las características eléctricas, del conductor y de su rango de aceleración/desaceleración y movimiento en el campo.
  2. Todos los sistemas vivientes desde las células hasta organismos complejos están en movimiento continuo (E. actividad motora y locomoción, vibración, circulación y hemodinámica, movimiento de la membrana celular y flujo de organelos).
  3. La mayoría de los sistemas vivos producen corrientes eléctricas y por lo tanto campos biomagnéticos, aún en la ausencia de campos magnéticos exógenos.
  4. Los campos muy débiles (E. geomagnético o menor) son biológicamente activos.
  5. Es muy difícil escudarse de los campos magnéticos, por lo que se tiene que tomar especial precaución en el control o caracterización ambiental en los campos magnéticos con variación de tiempo y campos geomagnéticos.
  6. Ambos los campos estáticos y con variación de tiempo interactúan para producir bioefectos.
  7. Los campos eléctricos y magnéticos son interactivos en un ambiente biológico.

Sería preferible que un experimento diseñado para evaluar los efectos o la exposición al campo en sistemas vivos no solo debería tomar en cuenta las características del campo primario o “impulsador”, si no que también aquellos de los campos ambientales secundarios y su participación con los eventos electrogénicos endógenos.

Existe una cantidad de factores en un campo dinámico o “impulsador” que se sabe son de importancia. Estas incluyen: la fuerza, homogeniedad, vectores y características de tiempo variante.

Antes de detallar acerca de estos factores es apropiado que dirijamos nuestra atención hacia la cuestión de la temperatura ambiental, particularmente en los casos de cultivo de tejido. Aunque existe evidencia irrefutable de que los PEMF’s ejercen sus efectos biológicos de una manera atérmcia; cierto tipo de impulsos requieren corriente suficiente para aumentar la temperatura operacional de las bobinas. Dentro de una incubadora se debe poner especial atención al monitoreo del aumento en temperatura, enfriamiento o ambas.

Fuerza.

Dependiendo de la fuente de información (E. cable de corriente, estudios de seguridad epidemiológica o aplicaciones terapéuticas), los efectos que se piensa que ocurren en campos magnéticos CA con fuerzas abarcando desde algunas décimas de microteslas (10-7 T pico) a varios militeslas (10-3 T pico). Este rango de cuatro ordenes de magnitud entra dentro del grupo nominal del campo estático geomagnético de la Tierra (5×10-5 T pico) quien en si parece jugar un papel en la respuesta o la resonancia (E. paramétrico o ion ciclotrón).

Homogeniedad y posición de campo B (H).
Ya que la densidad del flujo magnético determina en parte la intensidad del campo eléctrico resultante en el aire o dentro de un conductor, la distribución y densidad del flujo debe ser descrita detalladamente. Muchos investigadores de los efectos de los PEMF’s han involucrado campos magnéticos relativamente uniformes y producidos pro Bobinas auxiliares Helmhotz sin conexiones y con brecha de aire. La uniformidad del campo en tales sistemas está restringida a las ¾ partes del diámetro del espacio disponible. Con la homogeniedad disminuyendo en la periferia cerca de las orillas de las bobinas.

Cuando las bobinas no son circulares (E. elíptica o cuadrada) o están separadas por una distancia mayor a sus radios entonces la uniformidad decrece. Con una bobina plana-circular la fuerza del campo cae rápidamente del plano de la bobina y la uniformidad del campo decrece. Aunque una bobina con forma de silla de montar (saddle-shaped) puede minimizar la caída de la densidad de flujo al “enfocar” el campo, la región de la homogeniedad del campo B se encuentra más restringida que con el par Helmholtz. El agregado de elementos al núcleo pueden mejorar o empeorar la uniformidad del campo dependiendo de su geometría.

El voltaje inducido por un campo magnético que varía en el tiempo dentro de un conductor biológico no solo depende del flujo de densidad dB/dt y de las propiedades eléctricas pasivas del conductor, si no que también depende de la posición del campo B. Los valores del campo eléctrico E son menores en el eje central de un campo uniforme B y mayores en la periferia, incrementando a una razón de r/2 para objetoras no uniformes y cápsulas. Considerando estos factores, es entonces claro que una serie de condiciones en el campo E son pertinentes cuando, por ejemplo, un par de bobinas

Helmholtz se encuentran orientadas verticalmente en relación a una cápsula con cultivo de tejido, y otra serie de condiciones cuando se encuentran colocadas horizontalmente. Al colocar una cápsula dividida en un campo B perpendicular a su base, se imponen diferentes valores de campo en E en cada división. Adicionalmente, cambiando el diámetro y la forma del contenedor con su medio conductivo afecta el largo y la ruta de los “loops” de corriente inducida.

En experimentos con pequeños animales, su relación con la distribución del flujo y la densidad como una función de tiempo, deben ser considerados. Si el animal se encuentra libre, existe una posición aleatoria del eje central, particularmente cuando las bobinas montadas horizontalmente son utilizadas. Una posición preferida puede ser establecida por medio de la restricción del movimiento del animal; por ejemplo, la utilización de una bobina solenoide con un diámetro lo suficientemente pequeño para forzar a una orientación longitudinal (E. la cabeza adentro o viceversa). Cuando se utiliza una jaula para mantener a un animal en posición constante dentro del campo y los efectos locales son medidos en una extremidad, se tiene que recordar que las extremidades se mueven con frecuencia en tal sistema, a menos de que se encuentre enyesada. Alternativamente, con animales grandes, se puede establecer una relación entre la constante B/biobjetivo al montar la(s) bobina(s) directamente sobre el animal.

Vector.

Aunque la importancia del vector es inherente a un campo de CA variante en el tiempo, en esta presentación se le dará atención especial al vector de la CD estático y los efectos biológicos que resultan del fenómeno de resonancia magnética. En éste, la dirección del Bca y del Bcd requieren de un control preciso. Por ejemplo, se ha mostrado que la liberación de iones de Calcio del tejido cerebral de pollo ocurre en su punto máximo, solo cuando el campo de CD geomagnético local es perpendicular a la oxilación eléctrica y a los componentes magnéticos del campo. Cuando Bca y Bcd son paralelos, hay un mínimo de acoplamiento bajo las condiciones de resonancia de condiciones de un campo muy débil (V =15 Vms/M y 6/nTms). En campos de más alta intensidad (e.g. 1000 veces) la movilidad diatoméa , que refleja la disponibilidad de Ca2+ ocurre en un campo magnético oscilante sin que un campo eléctrico sea explícitamente generado en donde Bca y Bcd son paralelos. Estos hallazgos sugieren que al menos en los estudios del Ca2+ bajo condiciones de resonancia, el control de la intensidad y del vector son esenciales para poder reproducir el experimento.

Características de la variación de tiempo.

Al definir el rol de la frecuencia en estudios bioelectromagnéticos, las formas de la onda son de importancia primordial. Sin una definición completa de las especificaciones del pulso es casi imposible reproducir un experimento dado. Desafortunadamente en el pasado se le ha dado muy poca importancia a este elemento crítico.

Existe evidencia experimental que un campo de oscilación continua puede producir diferentes bioefectos de otro en el que las oxilaciones son discontinuas (e.g. sino-pulsátil v.s. sino-interrumpida), aunque el resto de los parámetros del campo se mantengan constantes. Adicionalmente, los campos variantes-en-tiempo pueden ser diseñados con una variedad de características que afectan las formas de las biorespuestas de diferentes maneras. Por ejemplo, una onda sino continua de 72 Hz produce un resultado y una onda quasirectangular discontinua, asimétrica, aunque en 72 Hz producirá otro resultado aunque todo el resto del campo sea idéntico.

Al describir el campo de onda sino continua, es apropiado emplear el término “frecuencia” (e.g. 72 Hz) y la frecuencia de la onda, necesita definirse. Esta misma descripción es inapropiada para otro tipo de campos pulsátiles asimétricos, en donde la velocidad repetición (e.g. 72 Hz) y la frecuencia de la onda necesitan definirse.

En los patrones no sinos, la forma, tiempos de subida y bajada, ancho y amplitud de ambas fases de pulso, junto con el tiempo de repetición, deben darse en detalle. Además, la información de las frecuencias espurias introducidas al alternar transitorios en el círculo de moldeo de pulso (e.g. repique) de alta frecuencia, deben ser incluidos si están presentes. Si el patrón de variación de tiempo contiene más de una forma de onda básica, la duración de cada una de sus secuencias en tiempo en la serie deben ser descritas. Solo de esta manera puede ser derivado por métodos de Fourier el contenido de la frecuencia.

Antes de enlistar otras fuentes de campo que potencialmente pueden llegar a interactuar con el campo principal, es apropiado introducir una nota de alerta respecto a las condiciones experimentales que pueden llegar a afectar la forma del pulso y el contenido de frecuencia.

Cuando un metal altamente permeable a campos magnéticos se acerca a una bobina energizada (o un par de éstas), ocurren distorsiones en la forma del pulso al saturarse el metal y por lo tanto se modifican las características de frecuencia del campo. Los buenos conductores tales como el cobre y el aluminio pueden también afectar el contenido de alta frecuencia de bandas anchas o campos de frecuencia más alta. Si el experimento se va a desarrollar en bancas o incubadoras con un alto contenido de hierro, los efectos de carga (si es que hay alguno) en la forma del pulso debe ser medido y reportado. Preferentemente, tales experimentos, deben ser desarrollados sobre madera o cualquier otro material con baja permeabilidad magnética.

Factores secundarios (ambientales) en el campo.

Las hipótesis actuales se enfocan en frecuencias específicas y “ventanas” de amplitud para explicar bioefectos selectivo de campos magnéticos con variación de tiempo inductivamente emparejados. Las respuestas que se dan como resultado de las condiciones de resonancia y la no resonancia parecen tener cabida dentro de la hipótesis.

Si las propuestas son aprobadas o desaprobadas, los investigadores deben evitar un acercamiento reduccionista al caracterizar los parámetros físicos de su campo “impulsador” y su relación de espacio con el objetivo. Es de igual importancia la necesidad de controlar o monitorear los campos ambientales, ya que pueden potencialmente afectar el resultado de un experimento dado. Es cierto que muchas de las fuentes de estos campos son extremadamente débiles, pero por otro lado existe evidencia de bioefectos producidos por campos dentro del rango de las nanoteslas y por campos E inducidos en el rango microvolt/cm.

Un censo de “confundidores” potenciales en el ambiente debería ser tomado en cuenta por todos los investigadores estudiando bioefectos electromagnéticos. Adicionalmente al campo estático geomagnético ya tomado en cuenta, los eventos con variación de tiempo geomagnéticos y eléctricos requieren atención. En la mayoría de los ambientes de laboratorio, los campos eléctricos y magnéticos (ambos estáticos y dinámicos) son comunes. Usualmente son creados al alternar transitorios (provenientes de motores y termostatos en estado no sólido), microscopios de electrones, artefactos de resonancia nuclear magnética y de “spin” de electrones, cables, cerraduras magnéticas en las puertas de las incubadoras y carga estática en la ropa, entre otros. Aparte, ya que pocos laboratorios están magnéticamente escudados, las fuentes de microondas y radio frecuencias deben ser tomados en cuenta.

Aquí es importante notar que las jaulas de Faraday pueden minimizar los campos estáticos y de baja frecuencia, pero sólo bobinas compensantes de Helmholtz y jaulas construidas a partir de hojas de ciertos metales (tales como el hierro, metal mu y el conel) pueden actuar como un efectivo escudo contra los campos magnéticos). Los detalles de construcción de una jaula magnética son tan importantes como el metal del que está fabricado. De nuevo es importante considerar los efectos de un buen conductor eléctrico (ej. cobre) en los campos magnéticos con variación de tiempo y de alta frecuencia.

Fuentes electrógenas endógenas.

Los sistemas vivos desde la simple célula hasta los organismos complejos tienen varios mecanismo para generar gradientes de voltaje en corrientes eléctricas. El más comúnmente reconocido se deriva de los diferentes flujos de iones que cruzan las membranas. Este mecanismo apoya la acción potencial mostrado por las membranas excitables en nervio y músculo, el potencial de transmembrana de todas las células, y las corrientes asociadas como procesos de desarrollo y heridas. Todos son en mayor o menor medida, variantes en tiempo y dan origen a campos biomagnéticos. Claramente, la naturaleza pulsatil de un potencial acción, tiene frecuencias y amplitudes características que son diferentes de las de larga duración y relativamente constantes corrientes del desarrollo y de heridas o del potencial de transmembrana de una célula “no excitable”.

Es menos reconocido el potencial esfuerzo generado, que también le es común a la mayor parte de procesos vivientes. Estos potenciales surgen del fenómeno mecánicamente inducido de carga-separación asociado con el carácter piezoelectríco o electreto de la mayoría de los biopolímeros de cadena larga tales como los ácidos nucleicos y colágena, y de eventos electrocinéticos del movimiento hidro o hemodinámico. Puesto que todos los sistemas vivos están en estado de movimiento, pero la energía hidro o hemodinámica es trasducida a energía eléctrica. Estas fuentes deben considerarse en la ecuación electrogénica de la célula o el organismo. Considerando las pequeñas distancias en las que estos potenciales actúan (nanometros), las intensidades de campo pueden ser considerables. Además puesto que estos son eventos dinámicos, hay componentes de frecuencia que deben considerarse, particularmente cuando los rangos de deformación son rápidos (e.g., choque).

El papel que juegan los eventos endógenos electrogénicos para modificar los efectos de campos externos biológicamente activos no es conocido. Sin embargo, podrían interacutar para producir un modelo de campo a nivel celular que es una resultante de ambas fuentes. Si se comprueba que éste es el caso, lo que se pueda asumir por los resultados que arrojan los estudios en vitro sobre bioefectos en el animal viviente tendrá que ser modificado. De hecho, parece totalmente posible que organismos avanzados han desarrollado mecanismos que controlan o eliminan los efectos de campos exógenos, “escudándolos” así de la mayor parte de señales no recurrentes en el ambiente (e.g. ruido casual). Siendo este el caso, se puede esperar que pulsos repetitivos altamente específicos, en o por arriba del nivel de umbral y de un vector fijo, sean los que se requieren, para poder obtener un bioefecto en organismos complejos.

Antes de dejar este asunto de factores físicos, es preciso hacer una nota de precaución en relación a “dosis respuesta”. La tarea de definir los parámetros de los campos terapeúticamente útiles, sería considerablemente más simple si fuese posible aplicar principios farmacológicos de dosis. Tal forma parece no ser práctica en éste sistema. Y el problema se complica por observaciones de que en algunos tipos de campos magnéticos de variación en tiempo, “menos es más”. Adicionalmente en los esfuerzos por caracterizar una “dosis respuesta” para la intensidad de campo puede comprometerse por otros requerimientos necesarios para alcanzar efectividades tales como contenido de frecuencia, vector y orientación vis -a- vis de la fase funcional del objetivo biológico.

La multiplicidad de factores físicos que puede afectar el resultado de los experimentos citados en las secciones anteriores, es igualado por las complejidades del aspecto biológico de la ecuación. Esta sección expone brevemente las cuestiones que se han mostrado como relevantes para determinar si un bioefecto puede ocurrir, y si ocurre, cuál es su naturaleza. Empezará cómo la célula avanzará a los tejidos y finalmente, todo el animal.

Biofactores celulares

Tanto el tamaño como la forma de la célula deben tomarse en cuenta. Puesto que el campo B (a diferencia del campo E) no es escudriñado en su frecuencia por la membrana de la célula, induce anillos de corrientes intracelulares que pueden ser afectados por el tamaño y la forma. Además, la forma también en cuanto a la orientación del campo. Células elongadas, como las de los fibroblastos, que no son influenciadas por campos perpendiculares a su eje largo, pero responden si su eje es paralelo, quedando todos los parámetros de campo constantes. Los factores vectoriales pueden ser importantes para determinar si un osteoblasto cuboidal puede “ver” el mismo campo que un osteocito con una miríada de procesos celulares en una variedad de orientaciones espaciales. Hay ciertamente indicaciones que elementos neuronales, que también se caracterizan por una serie compleja de extensiones celulares (neuritos), son sensibles a la desección de campo y alinean sus procesos como axón de una forma preferencial cuando se les expone a formas apropiadas de campo.

La sensitividad de la forma de la célula en un campo se aprecia más dramáticamente en experimentos realizados en colaboración con el Dr. Denis Moran. Las células de cresta neural del Ambyostoma, antes de la fusión de la cresta, se componen de dos tipos de células principales: “diferenciadas” y migratorias. Cuando se colocan explantes en la periferia de un campo uniforme producido por un par de bobinas auxiliares horizontales Helmholtz, los elementos migratorios empiezan a cambiar forma y a migrar hacia el centro de un campo B, se asientan y no se mueven. Esta respuesta se da en pocos minutos de exposición a formas de campo B similares a aquellas utilizadas con propósitos clínicos (pico, 1.8 mT).

Primero, el proceso de las células que están frente a la periferia del campo son retraídas y nuevos procesos se extienden hacia el centro del campo B. Simultáneamente, hay una reorientación de elementos citoesqueléticos, organelos y calcio intracitoplasmático. Una vez dados estos pasos, la célula empieza su migración en una velocidad de dos o tres anchos de célula por hora. Estas respuestas han sido documentadas con lapso-tiempo y otros métodos. Se ha visto también que las estructuras en la membrana del plasma también cambian posición. Las llamadas células “diferenciadas” son “refractarias” en lo que se refiere a migración, por varias horas, después de las cuales, éstas también empiezan a migrar.

Este efecto del campo en la migración de las células puede estar involucrado en las rápidas respuestas de cultivos expuestos a campos electromagnéticos pulsantes (PEMF) en formación de estructuras capilares. Aunque se observan complejos conectivos en los vasos nuevos, todavía está por verse si están bajo la influencia de las formas del campo cuando se forman. Por otro lado, hay evidencia experimental directa de la función de conexiones herméticas que si se ve influida por ciertos tipos de campos eléctricos.

Además del tamaño y forma de la célula, la densidad de la misma se ha demostrado que también influencia la respuesta de cierto tipo de células a una forma de campo dada. Cultivos no confluentes dan un tipo de respuesta y cultivos que confluyen del mismo tipo de célula en ambos casos dan una respuesta diferente. Puesto que el crecimiento rápido de un cultivo en la fase que no confluye no está presente en el cultivo que confluye, es muy posible que estén activos diferentes bioprocesos en los dos sistemas. Aunque el viejo adagio dice que “una célula dividiéndose es una célula que no funciona” en la viceversa no es absoluto, el estado de la función de la célula afecta el tipo de proceso sintético en juego cuando la exposición al campo se inicia. En relación con esto, es importante en algunos experimentos asegurarse que las células están en estado de función uniforme (ej. están sincronizadas).

Al considerar el estado de función durante la exposición al campo, se debe tomar en cuenta el tiempo asumiendo, por lo menos, la misma importancia a la forma y orientación. ¿Estaban las células dividiéndose, en reposo o sintetizando materiales extracelulares cuando estas empezaron a “ver” el campo?. ¿Eran células diferenciadas o especializadas; estaban migrando, en estado embrional o envejecidas? ¿Era su función normal o desordenada?. Cada uno de estos factores puede determinar si los campos con acción específica (e.g. “ventanas o umbral de amplitud y frecuencia) influyen en las fases seleccionadas del comportamiento o función de la célula. Desde los primeros estudios sobre la transcripción de cromosomas de Sciara coprohila, ha habido evidencia de que los efectos de campo en la síntesis del RNA muestran una dependencia del tiempo de exposición. Tiempos más largos no son necesariamente mejores que tiempos más cortos. Evidencia de alguna manera semejante en cuanto a la duración corta-rápida ha sido también reportada para cAMP en células de mamíferos.

Esta forma de comportamiento exige estudios adicionales para determinar si también hay “umbrales” de tiempos de exposición (además de los de amplitud, contenido de frecuencia y vector) para varias viorespuestas. Uno de los mas intrigantes estudios piloto realizado en las primeras etapas de colaboración con el Dr. Reba Goodman intentó dirigir este asunto al nivel de transcripción. Cromosomas de Sciara fueron expuestos a aproximadamente 72 pulsaciones independientes (72 Hz, pulsaciones solas PEMF) sobre un intervalo de 1s. El efecto “firmante” de esta señal en lo particular sobre la síntesis de RNA se detectó cuando se analizó ¡15 minutos más tarde!. Es claro, que tiene valor el hacer un seguimiento de estos resultados preliminares en mayor detalle. Futuros estudios de este tipo deberían enfocarse también en las formas de exposición al campo, bien que sea continuo o interrumpido. Ya existe evidencia experimental que algunos tipos de célula (e.g. condrocitos de pollo) tienen un cambio pobre cuando se les expone continuamente a PEMF durante 24 horas de cultivo. Si la exposición es interrumpida, estas mismas células aumentan tanto su número como su producción GAG. Este comportamiento sugiere que en futuros experimentos se podría buscar en los temas de saturación y relajación.

Cuando el asunto de la duración de la exposición y las formas sean examinadas en más detalle, es posible que diferentes bioefectos tengan diferentes requerimientos para obtener respuestas óptimas, por ejemplo, si la habilidad de un fibro-condrocito para contribuir a la calcificación de tejidos suaves es el objetivo, en un resquicio de fractura que no se une, y elPEMF puede influir en su capacidad de “bombear” calcio, se podría necesitar de exposiciones de más tiempo que el necesario para mejorar la síntesis en el mensajero RNA. En una situación terapéutica, el mecanismo de acción de PEMF al nivel celular debe ser apropiado para corregir un estado patológico.

Bioefectos en Tejidos.

Cuando se utilizan sistemas más complejos que células en cultivos en experimentos bioelectromagnéticos, el reto para descifrar las características de la señal en la membrana de la célula, el nivel aumenta mucho. Las propiedades eléctricas pasivas de las matrices en las que las células están enclavadas pueden influir en la forma del voltaje inducido en lo relativo al formato y amplitud del pulso, y en lo concerniente a la duración. Estas propiedades toman particular importancia cuando se usan los pulsos que contienen una amplia gama de frecuencias. La forma de la onda en la vecindad inmediata de la célula pude no ser representativa del formato de “empuje” del campo en el aire, como se registra con una bobina exploradora que muestra comportamiento de acuerdo con las leyes de Maxwell. Los tejidos no solo muestran diferentes características de impedancia, también tienen propiedades de electreto, ferroeléctricas, dieléctricas y del estado sólido que son probablemente únicas para cada tejido. Por ejemplo, algunas se comportan como dieléctricos, heterogéneos descontrolados.

En una serie de experimentos cuya finalidad era caracterizar las formas de onda del voltaje inducido en varios tejidos normales pro medio de PEMF, varios hallazgos han marcado la necesidad de trabajos adicionales para desarrollar métodos de dosimetría, tanto a nivel celular como de tejido. Estos estudios demostraron que la forma de onda inducida depende no solo de los parámetros físicos de el “operador” de campo, sino también del tipo de tejido, su estado de hidratación, la disponibilidad de la carga del móvil putativo, de la arquitectura del tejido y su orientación en el campo B. Lo seco de los tejidos o la extracción exahustiva de iones por diálisis en agua destilada alterna la forma de onda haciéndola aparecer como similar a la detectada por bobina exploradora en el aire. Los tejidos con un eje predominante (como los del hueso cortical, tendón, nervio y músculo) producen un formato de voltaje cuando sus ejes largos son paralelos a B y otro cuando son perpendiculares. Las formas de onda del cartílago y del hueso trabecular, que no tienen un eje microanatómico predominante, fueron insensitivos a la orientación del tejido en le campo magnético.

Si como se ha postulado el campo “operador” proporciona “información” específica que altera la función de la célula en forma selectiva, el “mensaje final” debe estar completamente caracterizado, como es el caso en la práctica actual. Por lo menos, la precaución está indicada cuando el campo afecta a la célula “desnuda”, bañada en un medio de cultivo de tejido y se asume esto para aplicaciones en condiciones en vivo. Además, estas células frecuentemente están en íntimo contacto con el piso del vaso o sustrato en el que residen. Las propiedades eléctricas de estos elementos, vidrio o plástico en un campo variante en tiempo deben ser consideradas como parte de las condiciones de la imagen amplia en que el experimento ocurre.

Biofactores animales

La conducción y análisis adecuado de experimentos en animales requiere el tomar en cuenta todos los factores físicos y biológicos considerados hasta aquí, mas algunos que son únicos al animal completo o a las partes del mismo. Además de los factores que involucran la orientación e intensidad del campo, ya presentados, es importante considerar el tamaño (ej. escala), efectos locales vs. sistémicos, “intercambios”, y esfuerzos. El tamaño puede influir la amplitud del campo y la extensión de las corrientes espirales inducidas. Si el total del animal o la mayor parte es incluida dentro del campo, la posibilidad que los efectos sistémicos estén involucrados en las biorespuestas locales deben ser considerados. Aunque la mayor parte de la evidencia apunta al hecho que la mayoría de los campos electromagnéticos púlsatiles (PEMF) utilizados terapeúticamente no cambian el comportamiento de los tejidos normales en vivo, se necesita mucho más información antes que los efectos sistémicos sean descartados.

El énfasis en “tejidos normales en vivo” merece una explicación. De ninguna manera está claro que la mayoría de las condiciones en vitro puedan considerarse normales, inclusive a nivel celular. Explantes o células transferidas probablemente producen potenciales de daño por lapsos de tiempo significativos después de colectarlos. Además, las diferencias en el ambiente osmótico de muchas técnicas modernas de cultivo de tejidos pueden modificar los formatos del flujo de iones a través de las membranas. Puesto que todas las células llevan una carga externa dada, las diferencias en el “envase” de las células y su forma de campo de aplicación exógena.

El término “intercambio” se utiliza para caracterizar el reto al que se enfrentan aquellos que intentan un experimento controlado usando un miembro o estructura contralateral. Como vimos antes, es muy difícil escudarse contra campos magnéticos variantes en tiempo. La suposición o el asumir que la distancia reducirá la densidad de flujo suficientemente para caer por debajo de la intensidad necesaria para ser una influencia biológica efectiva, está cargada de riesgos. De hecho, es de dudarse que ningún experimento que involucre un “control” contralateral, escudado o no, sea realmente válido. Muchos errores de este tipo han sido publicados y ellos han creado contoversia, no sólo innecesaria sino injustificable. Los controles se pueden establecer al separar a los animales en unidades “activo” e “inactivo” con una distancia suficientemente grande para reducir los valores del campo experimental por debajo del nivel de detección de un magnetómetro muy sensible.

Finalmente, otras fuentes de error experimental con animales en un arreglo bioelectromagnético merecen atención. Estos incluyen esfuerzos, que de por si acarrean respuesta fisiológica que tan bien a caracterizado Hans Selye. El más obvio de ellos es sujeción. También es el más fácil de controlar puesto que la mayoría de los protocolos requieren condiciones idénticas, de sujeción tanto para el animal “activo” como para el inactivo en el campo de fuerza magnética. Sin embargo la sujeción provoca una reacción de adrenalina y evoca un estado patológico secundario al hipercorticordismo. Si es que éste modelo evoca un estado de efectos sistémicos de un campo magnético variante en tiempo o no está por comprobarse.

Los otros dos posibles esfuerzos en el experimento bioelectromagnético, llamados vibración y campos electrostáticos, son menos obvios. Dependiendo de los parámetros de la corriente que alimente las bobinas para crear el campo “operador”, la vibración en el rango sónico y ultrasónico puede producirse. Las características de intensidad y frecuencia, dentro de ciertos valores, puede ser más fácilmente registrada por el animal que por el investigador, que puede imponer una variable en el grupo del experimento que no está presente en los controles. De igual manera, si las bobinas desarrollan un campo electrostático, se puede sentir en el animal a través de su pelambre y actuar también como un esfuerzo potencial.

En esta exposición de principios físicos y biológicos, se deben enfocar a sus implicaciones en un estudio doble-ciego. Este método de investigación se ha convertido en el “modelo de oro” de la medicina moderna como un método para controlar los posibles efectos del placebo, particularmente en investigaciones con seres humanos. La técnica implica que ni el paciente ni el médico sepan la identidad del agente activo o el placebo. Adicionalmente, el placebo debe ser esencialmente inactivo en el arreglo del experimento, en el que éste es empleado.

Desafortunadamente, es difícil asegurarse que los estudios doble ciegos sobre bioelectromagnetismo reúnan el criterio riguroso de “ciegos”, o sea placebos inactivos, y grupos equiparables, cegar al paciente o al investigador de la presencia de bobinas energizadas o no energizadas del tipo que se usan, hasta ahora es casi imposible. Las bobinas energizadas “activas”, vibran o desarrollan temperatura tibia; bobinas de “utilería” no hacen esto. Si el paciente o el médico usan un teléfono cerca de una bobina energizada, el campo se acopla con el micrófono del teléfono y se escucha un tintineo. Un aerosol cerca de la bobina puede actuar como resonador y puede escucharse en todo el cuarto. En los primeros intentos de diseño de estudios efectivamente controlados, todos estos efectos plagaron los esfuerzos del autor y el tiempo, ¡no han cambiado las leyes físicas!

Por el lado del placebo, el reto ha sido igualmente severo. El asumir que la reducción de la intensidad de campo producirá una bobina “maniquí” es erróneo de origen, particularmente en vista de la evidencia que voltajes inducidos en el rango de los microvolt/cm son biológicamente activos. Uno no pone sólo un “poquito” del agente activo en el placebo como fue el caso del primer estudio que fue llamado “doble-ciego” en relación con efectos de PEMF en fracturas sin unión.

Aunque estos retos no fuesen motivo de cuidado al diseñar un estudio “doble-ciego” sobre los efectos bioelectromagnéticos, el asunto de grupos equiparables merece atención especial. Puesto que los procesos patológicos usualmente cambian la estructura y composición del tejido ¿Cómo es que éstas alteraciones afectan la especificidad de una biorespuesta a unPEMF?. En el caso de una fractura sin unión, hay evidencia precisa que los espacios llenados con fibrocartílagos son más susceptibles de responder favorablemente a tratamiento con PEMF que aquellos ocupados con tejido fibroso.

Una evaluación definitiva sobre la composición del tejido en el espacio de la fractura previa al tratamiento, es actualmente imposible. El criterio para la admisión clínica, diseñado para asegurarse que las poblaciones de pacientes son comparables, son por éste motivo inadecuadas en esta entidad patológica y pueden ser superadas solo por números masivos para minimizar el “ruido”. En otras situaciones clínicas (e.g. osteotomías cirúrgicas, realizadas con una técnica estándar) el asunto de grupos equiparables no es un reto tan grande, se requiere entonces menos pacientes, si los factores de “ciego” y placebo pueden ser manejados eficientemente.

¿Hacen éstas muchas dificultades , el que se tenga que excluir el sistema de estudios “doble-ciego” para los campos electromagnéticos?. La respuesta a la pregunta depende de la habilidad que se tenga de incorporar la mayor parte de los principios físicos y biológicos que se han listado en el diseño de experimentos futuros. Alternativamente, un sano escepticismo debe reemplazar a nuestra preocupación con la noción de que el término “doble-ciego” por lo menos ofrece precisión, inclusive santidad. Debemos reconocer que las estadísticas también pueden encubrir imperfecciones fundamentales en el diseño de un experimento. Citando a un mentor del pasado: “La forma de entender el error sin error es resgurardarse del acomodo en un sentido falso al de la certitud estadística. Brevemente, no tomen un número muy literariamente”.

SUMARIO

Este artículo se enfoca a principios físicos y biológicos que pueden afectar las biorespuestas cuando los sistemas vivos son expuestos a campos electromagnéticos débiles de extrema baja frecuencia (ELF.- Extremely Low Frequency).

Un primer acercamiento es tomado al describir un número de elementos interactivos que deberían ser considerados por aquellos que se encuentran involucrados en la investigación electromagnética. Estos están resumidos en la Tabla 1 (p.14). A pesar de las complejidades inherentes en este tipo de investigación, se ha obtenido un progreso substancial en identificar los factores clave que deben monitorearse o controlarse para aumentar la reproductividad de un laboratorio a otro.

Las implicaciones biológicas de la exposición a ésta forma de energía han sido sujeto de un escrutinio cada vez más preciso. Los mecanismos de su acción a nivel físico, bioquímico, sub-celular, celular y fisiológico han sido dilucidados.

Los efectos benéficos en padecimientos seleccionados ha sido demostrado y las indicaciones clínicas han ido ahora expandiéndose racionalmente en base a mecanismos demostrados.

Simultáneamente, cada vez se ha dado mas atención a asuntos de seguridad que pueden ser o no pueden ser resultado colateral de cierto tipo de campos magnéticos variantes de tiempo en el medio ambiente. La mayor parte de los principios citados en esta presentación están sustentados igualmente en estudios de eficacia y de seguridad. Se espera que el listado de factores interactivos incluido en ésta presentación sea de utilidad para los que se encuentran involucrados en la investigación electromagnética.

Finalmente, en vista de una miríada de posible interacciones complejas entre sistemas biológicos y campos magnéticos variantes en tiempo, ¿Cómo fue posible, a principio de los 70, elegir formatos de campo que han demostrado ser tan exitosos clínicamente?. Aunque el dicho es “Es mejor tener suerte que ser listo” sin duda aplicado a un cierto grado se ha dedicado un esfuerzo considerable al diseño de campos que inducen características semejantes en forma y amplitud conocidos desde 1962 como ocurrentes en los huesos mecánicamente deformados. Para concluir, en la ciencia como en otras muchas ocupaciones humanas “Es mejor estar aproximadamente correcto que exactamente equivocado”.

A. Campos primarios

  1. Intensidad
  2. Homogeneidad (E vs. B)
  3. Vectores (Bac & Bdc)
  4. Variación en tiempo y características
    a. Rango de repetición y secuencia.
    b. Forma del pulso (simétrico o no).
    c. Tiempos de elevación y caída.
  5. Contenido de frecuencia.
  6. Transitorios intercambiables

B. Campos Secundarios

  1. Geométricos.
  2. Transitorios cambiables (motores, etc.)
  3. Microscopios eléctronicos, NMR, ESR.
  4. Líneas eléctricas.
  5. Microondas.
  6. Cerradores magnéticos de puertas.
  7. Electrostática (pieles, ropa).

C.Eventos endógenos electrogénicos.

  1. Carga fija en membranas en movimiento.
  2. Potenciales de acción.
  3. Potenciales de transmembrana.
  4. Potenciales de herida.
  5. Potenciales de desarrollo.
  6. Potenciales generados por esfuerzo.
    a. Piezoeléctrico
    b. Electroquinéticos
  7. Resultante de campos biomagnéticos.

A. Biofactores-célula

  1. Tamaño y forma.
  2. Densidad (confluyen o no confluyen)
  3. Articulaciones.
  4. Estado de función.
    a. Dividiéndose.
    b. Descansado.
    c. Sintetizándose.
    d. Diferenciada / especializada.
    e. Embrional o en vejez.
    f. Migrando.
  5. Formatos de exposición.
    a. Fase del ciclo en la célula.
    b. Duración.
    c. Continuo vs. interrumpido.
    d. Orientación de campos B y E.

 

B. Biofactores- tejido

  1. Fuente.
  2. Microestructura (ejes, planos).
  3. Orientación en B y E.
  4. Hidratación.
  5. Especies cargadas.
  6. Movilidad de carga de transportadores.
  7. Relajación.

C. Biofactores- animal

  1. Tamaño (escala).
  2. Orientación en B y E.
    a. azar.
    b. preferencial.
    c. fijo.
  3. Efectos locales vs. sistémicos
  4. “Intercambio”
    a. Escudos.
    b. Distancia.
  5. Esfuerzos
  6. Vibración.
  7. Electrostático.
  8. coerción.