J Neurochirurgia.2015 maggio;122(5):1239-47. doi: 10.3171/2014.8.JNS132083. Epub 2014 24 ottobre.
Denis E Bragin 1,
Gloria L Statom ,
Sean Hagberg ,
Edwin M. Nemoto Affiliazione
- 1Dipartimento di Neurochirurgia e.
Astratto
Oggetto: la stimolazione del campo elettromagnetico pulsato ad alta frequenza è una terapia non invasiva emergente utilizzata clinicamente per facilitare la guarigione delle ferite ossee e cutanee. Sebbene i meccanismi d'azione dei campi elettromagnetici pulsati (PEMF) siano sconosciuti, alcuni studi suggeriscono che i suoi effetti siano mediati dall'aumento dell'ossido nitrico (NO), un noto vasodilatatore. Gli autori hanno ipotizzato che nel cervello, il PEMF aumenti l'NO, che induce vasodilatazione, migliora la perfusione microvascolare e l'ossigenazione dei tessuti e può essere un'utile terapia aggiuntiva in caso di ictus e lesioni cerebrali traumatiche. Per testare questa ipotesi, hanno studiato l'effetto di PEMF su un cervello di ratto sano con e senza inibizione di NO sintasi (NOS).
Metodi: La microscopia a scansione laser a due fotoni in vivo (2PLSM) è stata utilizzata sulla corteccia parietale del cervello di ratto per misurare il tono microvascolare e la velocità di flusso dei globuli rossi (RBC) in microvasi con diametri compresi tra 3 e 50 μm, che include capillari, arteriole, e venule. Anche l'ossigenazione dei tessuti (ridotta fluorescenza della nicotinamide adenina dinucleotide [NADH]) è stata misurata prima e per 3 ore dopo il trattamento con PEMF utilizzando il dispositivo SofPulse approvato dalla FDA (Ivivi Health Sciences, LLC). Per testare il coinvolgimento di NO, l'inibitore di NOS N(G)-nitro-l-arginina metil estere (L-NAME) è stato iniettato per via endovenosa (10 mg/kg). In un gruppo di controllo del tempo, i PEMF non sono stati utilizzati. Sono stati monitorati il flusso Doppler (diametro della sonda 0,8 mm), le temperature cerebrali e rettali, la pressione arteriosa, i gas nel sangue, l'ematocrito e gli elettroliti.
Risultati: la stimolazione del campo elettromagnetico pulsato ha dilatato significativamente le arteriole cerebrali da un diametro medio basale di 26,4 ± 0,84 μm a 29,1 ± 0,91 μm (11 ratti, p <0,01). L'aumento del flusso sanguigno attraverso le arteriole dilatate ha migliorato il flusso capillare con un aumento medio della velocità del flusso dei globuli rossi del 5,5% ± 1,3% (p <0,01). Il flusso microvascolare migliorato ha aumentato l'ossigenazione dei tessuti come riflesso da una diminuzione dell'autofluorescenza NADH al 94,7% ± 1,6% del basale (p <0,05). L'inibizione dell'ossido nitrico sintasi da parte di L-NAME ha impedito i cambiamenti indotti da PEMF nel diametro arteriolare, nella perfusione microvascolare e nell'ossigenazione dei tessuti (7 ratti). Non sono state osservate variazioni nei parametri misurati durante lo studio nei controlli temporali non trattati (5 ratti).
Conclusioni: Questa è la prima dimostrazione degli effetti acuti della PEMF sulla perfusione microvascolare corticale cerebrale e sul metabolismo. Trenta minuti di trattamento con PEMF hanno indotto una dilatazione arteriolare cerebrale che ha portato ad un aumento del flusso sanguigno microvascolare e all'ossigenazione dei tessuti che è persistita per almeno 3 ore. Gli effetti di PEMF sono stati mediati da NO, come abbiamo dimostrato negli esperimenti di inibizione di NOS. Questi risultati suggeriscono che la PEMF può essere un trattamento efficace per i pazienti dopo una lesione cerebrale traumatica o ischemica. Sono in corso studi sull'effetto della PEMF sul cervello ferito.
Dichiarazione di conflitto di interessi
CHIARIMENTI
Gli autori non segnalano alcun conflitto di interessi in merito ai materiali o ai metodi utilizzati in questo studio o ai risultati specificati in questo documento. Il dottor Hagberg ha la proprietà diretta delle azioni di Rio Grande Neurosciences.
FIGURA. 1. Paradigma sperimentale.
FIG. 2. Pulsed electromagnetic field treatment dilates cerebral arterioles and increases microvascular flow.
A: The PEMF signal configuration: T
1, 3-msec burst pulses; 1/T
2, 5 Hz at 2 bursts per second; 1/T
3, 27.12-MHz carrier; B, 225 mV/9 μT peak induced electromagnetic field.
B: Time series plot shows the time course of the increase in arteriolar diameter (10–30 μm) from 26.4 ± 0.95 μm before to a peak of 29.1 ± 0.91 μm after PEMF treatment. Diameters gradually returned to a baseline during 3 hours.
C: Time series plot of average capillary diameters (3–8 μm) shows insignificant dilation after PEMF treatment, returning to a baseline during 3 hours, following the arterioles pattern.
D: Maximum intensity projection of a region from which microvascular flow was recorded (
left, 20 planar scans acquired every 10 μm from the brain surface). Line-scan data
(upper right) for blood flow velocities in the capillary outlined in
red in the left panel, indicating RBC flow velocity increase
(lower right) after PEMF treatment. The slope of the stripes inversely reflects RBC flow velocity.
E: Frequency histograms and gaussian fit show that PEMF treatment increased RBC flow velocity in capillaries (3–8 μm) in the rat cortex in comparison with baseline.
F: Time series plot shows an increase by 5.5% ± 1.3% in the average RBC flow velocity in capillaries after PEMF treatment compared with baseline. Capillary RBC flow velocity gradually returned to a baseline during 3 hours. Data are normalized to a baseline. For all time series plots: values represent the mean ± SEM; 11 rats; **p < 0.01, *p < 0.05.
Dashed black line represents time control values. Figure is available in color online only.
FIG. 3. Pulsed electromagnetic field–induced enhancement of cerebral microvascular flow increases tissue oxygenation. In vivo 2PLSM images of NADH autofluorescence in normal rat cortex at baseline
(A) and after PEMF treatment
(B) with regions of interest representing a decrease in NADH autofluorescence. Time series plots
(C) from the ROIs presented in panels A and B, showing decreased NADH by 5.3% ± 1.6% after PEMF treatment, reflecting improved tissue oxygenation. The NADH gradually returned to baseline over 3 hours, correlating with changes in arteriolar diameters and capillary RBC flow velocity. Values represent the mean ± SEM; 11 rats; **p < 0.01, *p < 0.05. Data are presented as a percentage of baseline.
Dashed black line represents time control values. Figure is available in color online only.
FIG. 4. The inhibition of NOS via L-NAME obliterates the effects of PEMF on cerebrovascular flow and metabolism.
A: Time series plot shows that NOS inhibition ceases dilation of arterioles (10–30 μm) by PEMF treatment. Note that the intravenous injection of L-NAME causes steady constriction, reflecting NO depletion.
B: Time series plot shows no changes in RBC flow velocity in capillaries after PEMF treatment during NOS inhibition. Note that L-NAME induced a decrease in capillary blood flow due to arteriolar constriction.
C: Time series plot shows no change in NADH autofluorescence after PEMF treatment during NOS inhibition, reflecting no effect on tissue oxygenation. Note that L-NAME increased NADH because of reduced capillary perfusion and decreased tissue oxygenation. For all time series plots: values represent the mean ± SEM; 7 rats; data are presented as a percentage of baseline.
Dashed black line represents time control values. Figure is available in color online only.
