Identification of extremely low frequency electromagnetic field exposure parameter-dependent bioactive windows in tumor and non-tumor cell models

Extremely low frequency electromagnetic fields (ELF-EMFs) are characterized by a set of parameters including frequency, intensity, time, waveform, magnitude, and direction of the AC and DC component. Traditionally, biological systems have been considered to be sensitive only to energy deposition. The frequency and time of exposure have been invalidated as causing cellular effects if the intensity was not high enough. In 1975, the biological window model appeared, and this led a group of researchers to move away from the more is worse paradigm of intensity as the only parameter causing cellular effects. The cell begins to be observed as an entity sensitive to the different parameters that characterize the magnetic field with resonant properties. Under the hypothesis that there is a code (understood as a combination of magnetic field parameters) that allows modulating cell behavior in viability and proliferation, a series of experiments are designed to determine whether certain combinations of frequency, intensity, and exposure time are capable of reducing viability and proliferation in tumor cell models of nervous tissue, murine glioblastoma (CT2A) and its nontumorous equivalent (C8-D1A), and the murine neuroblastoma cell line (N2A). The results obtained will be compared with other cell models such as murine melanoma (B16F10), rat pheochromocytoma (PC12 Adh), human breast tumors (SKBR3 and MDA-MB-231) and nontumorigenic murine fibroblasts (3T3) to determine if this response is specific to each cell type. A comprehensive methodology is employed starting with the design and development of a new magnetic field generation system for in vitro studies based on coils with high homogeneity and uniformity of intensity distribution, RILZ coils. Once the magnetic field generator system is built and validated, the role of different values of the parameters of frequency (20-100 Hz), intensity (10 - 1000 uT) and exposure time (3 - 192 hours) on cell viability and proliferation behavior is explored. Following this, a fibrosarcoma cell model (HT-1080) is exposed to a magnetic field varying in waveform and direction and magnitude of the magnetic AC and DC components. The results show that certain frequency-intensity-time values reduce the viability and proliferation of tumor cells with cellular responses that conform to a biological window model. In this model, only specific combinations of values of the different parameters selected produce responses in the cellular processes studied that depend on the cell type used, which are maximal when a specific value of the variant parameter, a code formed by the combination of the different exposure parameters, is reached. This cell behavior is also altered when the magnitude and direction of the AC and DC components and the waveform of a magnetic field are changed. Furthermore, it is found that the cell acts as a sensor that is very sensitive to small changes in the intensity distribution, implying the need for systems that generate highly uniform magnetic fields. Finally, a series of methodological recommendations to be followed in in vitro experimentation in magnetobiology based on the results obtained in the different chapters of this doctoral thesis are proposed to unify the experimental protocols. This thesis highlights the existence of biological codes dependent on the applied magnetic field that modulate cell behavior, with promising applications in clinical practice, in addition to pointing out the importance of controlling exposure parameters and experimental design. RESUMEN Los campos electromagnéticos de frecuencia extremadamente baja (ELF-EMFs) están caracterizados por un conjunto de parámetros entre los que se encuentran la frecuencia, intensidad, tiempo, forma de onda, magnitud y dirección de la componente AC y DC. Tradicionalmente, se ha tratado a los sistemas biológicos como sensibles tan solo a la deposición de energía. La frecuencia y el tiempo de exposición han sido invalidados como causantes de los efectos celulares si la intensidad no era lo suficientemente grande. Aparece en 1975 el modelo ventana biológica y esto lleva a un grupo de investigadores a abandonar el paradigma del más es peor, de la intensidad como único parámetro causante de efectos celulares. Comienza a observarse la célula como una entidad sensible a los diferentes parámetros que caracterizan al campo magnético con capacidad resonante. Bajo la hipótesis de que existe un código (entendido como una combinación de parámetros de campo magnético) que permite modular el comportamiento celular en viabilidad y proliferación se diseñan una serie de experimentos que permiten determinar si ciertas combinaciones de frecuencia, intensidad y tiempo de exposición son capaces de reducir la viabilidad y proliferación en modelos de células tumorales de tejido nervioso, glioblastoma murino (CT2A) y su consiguiente no tumoral (C8-D1A), y la línea celular de neuroblastoma murino (N2A). Los resultados obtenidos serán comparados con otros modelos celulares como el melanoma murino (B16F10), feocromocitoma de rata (PC12 Adh), tumores de mama (SKBR3 y MDA-MB-231) y el no tumoral de fibroblastos murinos (3T3) con el fin de determinar si esta respuesta es específica de cada tipo celular. Se emplea una metodología exhaustiva que comienza por el diseño y desarrollo de un nuevo sistema de generación de campo magnético para estudios in vitro basado en bobinas con alta homogeneidad y uniformidad de la distribución de la intensidad, bobinas RILZ. Una vez construido y validado el sistema generador de campo magnético, se explora el papel de diferentes valores de los parámetros de frecuencia (20-100 Hz), intensidad (10 -1000 uT) y tiempo de exposición (3 -192 horas) en el comportamiento celular en viabilidad y proliferación. Tras esto, se expone un modelo celular de fibrosarcoma (HT-1080) a un campo magnético variante en forma de onda, dirección y magnitud de las componentes AC y DC magnéticas. Los resultados muestran que ciertos valores de frecuencia-intensidad-tiempo reducen la viabilidad y proliferación de células tumorales con respuestas celulares que se ajustan a un modelo de ventana biológica. En este modelo solo combinaciones específicas de valores de los diferentes parámetros seleccionados producen respuestas en los procesos celulares estudiados dependientes del tipo celular utilizado, que son máximos cuando se alcanza un valor específico del parámetro variante, un código formado por la combinación de los diferentes parámetros de exposición. Este comportamiento celular también se ve alterado cuando se varían la magnitud y dirección de las componentes AC y DC y la forma de onda de un campo magnético. Además, se comprueba que la célula actúa como un sensor que es muy sensible a pequeños cambios en la distribución de la intensidad, lo que implica la necesidad de sistemas que generen campos magnéticos altamente uniformes. Por último, se propone una serie de recomendaciones metodológicas a seguir en la experimentación in vitro en magnetobiología basadas en los resultados obtenidos en los diferentes capítulos de esta tesis doctoral con el fin de unificar los protocolos de experimentación. Esta tesis pone de manifiesto la existencia de códigos biológicos dependientes del campo magnético aplicado que modulan el comportamiento celular, con aplicaciones prometedoras en la práctica clínica, además de señalar la importancia sobre el control de los parámetros de exposición y el diseño experimental.