Fraunhofer Institut für Toxikologie und Aerosolforschung
Beeinflussung der Körpertemperatur und des vasalen Kortikosteronspiegels durch hochfrequente elektromagnetische
Felder des Mobilfunks (902 MHz und 1747 MHz) bei B6C3F1-Mäusen
INAUGURAL-DISSERTATION Zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Veterinärmedizin (Dr. med. vet.)
durch die Tierärztliche Hochschule Hannover
Vorgelegt von Manfred Kamlage
aus Werlte
Hannover 2002
1. Gutachter: Univ. Prof. Dr. H. Hackbarth 2. Gutachter: Univ. Prof. Dr. W. Löscher
Tag der mündlichen Prüfung: 29.11.2002
als Dank und zur Freude
2. Literaturübersicht ...11
2.1. Spektrum elektromagnetischer Strahlung...11
2.1.1. Ionisierende Strahlung ...13
2.1.2. Nicht-ionisierende Felder ...14
2.1.2.1. Niederfrequente elektrische und magnetische Felder...15
2.1.2.2. Hochfrequente elektromagnetische Felder ...18
2.1.3. Wirkung hochfrequenter elektromagnetischer Felder ...23
2.1.3.1 Thermische Wirkung ...23
2.1.3.2. Nichtthermische Wirkung...27
2.2. Körpertemperatur...33
2.3. Kortikosteroide ...40
3. Eigene Untersuchungen ...46
3.1. Material und Methode ...46
3.1.1. Tierart und – stamm, Alter der Tiere ...46
3.1.2. Tierhaltung und Fütterung ...46
3.1.3. Expositionstechnik ...47
3.1.4. Versuchsplanung und Übersicht ...50
3.1.4.1. Ermittlung der thermalen Expositionsschwelle („Dosis-Findung“) ...50
3.1.4.2. Subakute Studie (4-Wochen-Befeldung)...57
3.1.5. Messmethoden ...58
3.1.5.1. Schallmessung ...58
3.1.5.2. Rektale Körpertemperatur ...59
3.1.5.3. Körpergewicht ...61
3.1.6. Sektion und makroskopische Befundung ...61
3.1.6.1. Euthanasie...61
3.1.6.2. Blutentnahme...61
3.1.6.3. Sektionsablauf ...62
4. Ergebnisse...66
4.1. Schallmessung ...66
4.2. Ermittlung der thermalen Expositionsschwelle (“Dosis-Findung”) ...68
4.2.1. Rektale Körpertemperatur ...68
4.2.1.1. Rektale Körpertemperaturmessung vor und nach der Befeldung...68
4.2.1.2. Rektale Körpertemperaturmessung während der Befeldung ...77
4.2.2. Serumkortikosteron ...85
4.3. Subakute Studie (4-Wochen-Befeldung)...87
4.3.1. Rektale Körpertemperatur ...87
4.3.2. Körpergewicht ...96
4.3.3. Sektionsbefunde...99
4.3.4. Organgewichte...100
4.3.5. Serumkortikosteron ...108
5. Diskussion...112
5.1. Versuchsdurchführung...112
5.2. Schallmessung ...114
5.3. Ermittlung der thermalen Expositionsschwelle („Dosis-Findung“) ...115
5.3.1. Körpertemperatur vor und nach der Befeldung ...115
5.3.2. Kontinuierliche Körpertemperaturmessung während der Befeldung ...119
5.3.3. Serumkortikosteron ...122
5.4. Subakute Studie (4-Wochen –Befeldung) ...124
5.4.1. Körpertemperatur...124
5.4.2. Gewichtsentwicklung ...127
5.4.3. Organgewichte...129
5.4.4. Serumkortikosteron ...131
5.5. Schlussfolgerung...134
9. Abkürzungsverzeichnis ...160 10. Anhang...161
1. Einleitung
Bis zum Ende des Jahres 2000 gab es weltweit mehr als 200 Millionen Mobilfunknutzer. Der damit verbundene Anstieg an Emissionen hochfrequenter elektromagnetischer Felder (HF- EMF) hat innerhalb der Bevölkerung zu einer erhöhten Besorgnis geführt, dass hierdurch eine gesundheitliche Gefährdung entstehen könnte.
Insbesondere die offensichtliche Allgegenwärtigkeit der Mobilfunkfelder (der Preis für die permanente Kommunikationsmöglichkeit) und die Vielzahl von neuen Sendemasten bzw. - antennen hat in der Gesellschaft, unterstützt von den Medien, eine Diskussion über den sogenannten „Elektrosmog“ entfacht.
Der Mensch ist seit jeher elektromagnetischer Strahlung, wie z. B. das Licht der Sonne oder das natürliche Magnetfeld der Erde, ausgesetzt. Aber seit der Nutzung des elektrischen Stromes wirken die dabei entstehenden elektromagnetischen Felder (EMF) zusätzlich zu der
„natürlichen“ Strahlung auf den Menschen ein, wodurch es zu Summationseffekten im menschlichen Körper kommen kann. Die „künstlichen“ EMF werden von allen elektrischen Geräten und Antennen abgestrahlt und seit langer Zeit u.a. für die Übermittlung von Informationen (Radar, Rundfunk und Fernsehen), in der Medizin (Diathermiegeräte) und im privaten Bereich (Mikrowellenherd, Videoanlagen, Diebstahlsicherungsanlagen etc.) eingesetzt. Über die Auswirkungen langwelliger/niedrigfrequenter elektromagnetischer Felder, z.B. von Überlandleitungen, wird bereits seit mehreren Jahren geforscht (SPERBER et al. 1984, LÖSCHER et al. 1993, SAVITZ 1995) und bei hochfrequenten elektromagnetischen Feldern wurde insbesondere der Bereich von 2450 MHz bei Einführung der Mikrowellenherde in den privaten Haushalten untersucht. Über die Wirkung hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf den Organismus, wie sie seit wenigen Jahren verstärkt von Mobilfunknetzen genutzt wird, ist dagegen wenig bekannt.
Insbesondere die Publikation von REPACHOLI et al. (1997) nährte Zweifel an der Sicherheit der mobilen Telekommunikation. Die Autoren fanden eine erhöhte Inzidenz an Tumoren des hämatopoetischen Systems (Lymphomen) in Mäusen, wenn diese hochfrequenten (HF) elektomagnetischen Feldern, wie sie im Mobilfunk genutzt werden, ausgesetzt waren. Andere Studien ergaben hingegen kaum bzw. keine Hinweise, dass die elektromagnetischen Felder, die von den Antennen der Mobilfunkgeräte und der Mobilfunkstationen abgestrahlt werden,
eine gesundheitsgefährdende oder gar karzinogene bzw. promovierende Wirkung haben könnten.
Da durch die inzwischen flächendeckende Emission von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern für die Mobilfunktechnologie selbst ein geringer Einfluss der EMF’s auf die menschliche Gesundheit ausgeschlossen werden muss, wurden innerhalb des fünften Rahmen- forschungsprogramms der EU Forschungsprojekte zur möglichen gesundheitsgefährdenden Wirkung hochfrequenter elektromagnetischer Felder initiiert.
Innerhalb des Forschungsprogramms soll das Projekt PERFORM-A helfen, die Frage zu klären, ob hochfrequente elektromagnetische Felder bei Mäusen eine Initiation bzw.
Promotion von Tumoren bewirken können. Dabei werden die Tiere lebenslang elektromagnetischen Feldern der Frequenzen 902 MHz und 1747 MHz ausgesetzt, die im Mobilfunk u.a. in Deutschland für das E- und D-Netz verwendet werden. Innerhalb des PERFORM-A-Projekts wird die Kanzerogenitätsstudie an B6C3F1-Mäusen im Fraunhofer- Institut für Toxikologie und Aerosolforschung in Hannover durchgeführt.
Hierfür soll in der vorliegenden Arbeit überprüft werden, wie die absorbierte Energie der hochfrequenten elektromagnetischen Felder die Körpertemperatur und den Kortikosterongehalt der Mäuse beeinflusst. Außerdem soll der Bereich der aufgenommenen Energie, charakterisiert durch die spezifische Absorptionsrate (SAR), bestimmt werden, der nicht zu einer messbaren Temperaturerhöhung bei den röhrenfixierten Mäusen führt, um in der o.g. Langzeitstudie mit dieser SAR die Mäuse sicher im sog. nichtthermischen Bereich lebenslang zu befelden.
2. Literaturübersicht
2.1. Spektrum elektromagnetischer Strahlung
Hochfrequente elektromagnetische Felder umfassen nur einen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Die einzelnen Strahlungsarten unterscheiden sich in ihren Auswirkungen auf tierisches Gewebe voneinander. Zur Einordnung der hochfrequenten elektromagnetischen Felder in das Spektrum der elektromagnetische Strahlung sollen nachfolgend die Eigenschaften und die Wirkung der verschiedenen Strahlungsarten kurz beschrieben werden.
Die Strahlung bezeichnet eine Energieform, die sich als eine elektromagnetische (EM) Welle – oder als Teilchenstrom – mit Lichtgeschwindigkeit (300000 km/h) durch Raum und Materie ausbreitet. Aufgrund der unterschiedlichen Energie, die eine elektromagnetische Welle mit sich führt, wird das elektromagnetische Spektrum in verschiedene Bereiche eingeteilt (Abb.
1). Entscheidend für den Energiegehalt einer EM-Welle ist ihre Frequenz und ihre Wellenlänge. Die Frequenz gibt die Anzahl der Schwingungen der elektromagnetischen Welle pro Zeiteinheit an. Ihre Maßeinheit ist Hertz (1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde). Die Wellenlänge beschreibt die Ausdehnung einer Schwingung und wird in Meter (m oder mm, µm usw.) angegeben. Je größer die Frequenz und je kleiner die Wellenlänge, desto größer die Energie der Welle (SCHLUNGBAUM 1979).
Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung wird in Abhängigkeit ihrer mitgeführten Energie in zwei große Gruppen eingeteilt. Reicht die Energie aus, um Atome und Moleküle zu ionisieren, d.h. ist sie in der Lage, molekulare Verbindungen zu trennen und aus elektrisch neutralen Atomen und Molekülen positiv und negativ geladene Teilchen (Ionen) zu bilden, spricht man von ionisierender Strahlung. Ist die Energie der Strahlung nicht hoch genug, um Atome und Moleküle zu ionisieren, handelt es sich um nichtionisierende EM-Felder (EDER et al. 1986).
Ionisierende Strahlen haben eine Frequenz von > 1015 Hz und eine Wellenlänge von < 100 nm. Hierzu gehören z.B. die Gamma- und die Röntgenstrahlung. Zum Bereich der nichtionisierenden EMF (Frequenz < 1015 Hz, Wellenlänge >100 nm) zählen die optische Strahlung, bestehend aus der ultravioletten Strahlung, dem sichtbaren Licht und der Infrarotstrahlung, hochfrequente elektromagnetische Felder (Mobilfunk, Radiowellen,
Mikrowellen) sowie niederfrequente elektromagnetische Felder, die z. B. von Überlandleitungen und Elektrogeräten emittiert wird. Die einzelnen Bereiche des elektromagnetischen Spektrums sind allerdings nicht streng definiert und überlappen sich teilweise (HÖFLING 1994).
Abbildung 1: Das elektromagnetische Spektrum
(nach BUNDESAMT FÜR STRAHLENSCHUTZ 1999)
Die ionisierende Strahlung ist dadurch charakterisiert, dass ihr Energiegehalt ausreicht, um Atome und Moleküle zu ionisieren. Beim Auftreffen oder beim Durchgang durch die Materie wird soviel Energie an die getroffenen Atome und Moleküle abgegeben, dass Elektronen der Elektronenhülle aus dem Kernfeld herausgelöst werden. Dadurch können molekulare Verbindungen getrennt werden und es entstehen so aus elektrisch neutralen Atomen und Molekülen positiv und negativ geladene Ionen (EDER et al. 1986)).
Zur ionisierenden Strahlung (Frequenz > 109 MHz) zählen die Gammastrahlung als Teil der radioaktiven Strahlung und die Röntgenstrahlung. Der Frequenzbereich der Gammastrahlung erstreckt sich von 1018 bis 3 x 1023 Hz (HÖFLING 1994).
Die Gammastrahlung ist von gleicher physikalischer Natur wie das sichtbare Licht, allerdings erheblich energiereicher. Zerfällt ein instabiler Atomkern, so ist die Anordnung der Nukleone im neu entstandenen Kern noch nicht optimal. Der Kern befindet sich im angeregten Zustand.
Diese gespeicherte Energie kann der Kern nun in Form elektromagnetischer Strahlung, der Gammastrahlung, abgeben.
Die Röntgenstrahlung unterscheidet sich physikalisch nicht von der Gammastrahlung. Sie wird z.B. künstlich beim Abbremsen von energiereichen Elektronen an der Anode einer Röntgenröhre erzeugt (HARTEN 1980). Der Frequenzbereich der Röntgenstrahlung liegt im Bereich von 1016 bis 3 x 1022 Hz (HÖFLING 1994).
Neben Membranpotentialänderungen können ionisierende Strahlen zu Veränderungen an großen Makromolekülen wie Proteine, Polysaccharide, Lipide und Nukleinsäuren (DNA und RNA) führen. Am empfindlichsten gegenüber diesen Strahlen sind die Nukleinsäuren.
Veränderungen der DNA und RNA bewirken auf zellulärer Ebene die größten Schäden (WARD 1994).
Die DNA kann durch eine direkte und eine indirekte Strahleneinwirkung geschädigt werden.
Bei der direkten Strahlenwirkung findet die Energieabsorption im DNA-Molekül statt, wodurch dort durch die Ionisation hochreaktive Spaltprodukte und Radikale entstehen können. Bei der indirekten Strahlenwirkung findet die Absorption der Energie im wässrigen Zellplasma statt, wobei durch die induzierte Radiolyse des Wassers sehr reaktionsfähig 2.1.1. Ionisierende Strahlung
Radikale entstehen. Sie sind in der Lage sehr schnell neue Verbindungen einzugehen, die zu chemisch stabilen Veränderungen in der DNA führen (SCHLUNGBAUM 1979).
Diese Veränderungen der DNA sind hauptsächlich Einzelstrangbrüche, Doppelstrangbrüche und Basenmodifikationen. Allerdings kommt es auch zu einer Vielzahl anderer neuer chemischen Verbindungen innerhalb der DNA (DISTEL u. SCHÜSSLER 2000, HUTCHINSON 1985, WARD 1994),
Bei geringen Veränderungen der DNA bleiben diese ohne Konsequenzen für die Zelle. Sind diese Veränderungen aber schwerwiegender, führen sie letztendlich zum Absterben der Zelle oder aber zur Entstehung einer Tumorzelle (BREIMER 1988, DISTEL u. SCHÜSSLER 2000).
Die nicht-ionisierenden Felder sind eine Strahlungsform, deren übertragbare Energie nicht ausreicht, um Elektronen aus der Elektronenhülle der Atome und Moleküle herauszulösen. Sie ist also nicht in der Lage, einfachste Verbindungen zu lösen bzw. Atome und Moleküle in einen elektrisch geladenen Zustand zu versetzen, sie zu ionisieren (SCHLUNGBAUM 1979).
Zu den nicht-ionisierenden Feldern gehören die Bereiche der optischen Strahlung, der niederfrequenten und der hochfrequenten elektromagnetischen Felder. Der Bereich der optischen Strahlung setzt sich aus der ultravioletten Strahlung (7,5 x 1014 bis 1017 Hz), dem sichtbaren Licht (4 x 1014 bis 7,5 x 1014 Hz) und der infraroten Wärmestrahlung (1012 bis 4 x 1014 Hz) zusammen. Den Bereich der niederfrequenten EM-Felder bilden die elektrischen und magnetischen Felder, die u.a. überall dort entstehen, wo elektrischer Strom durch einen Leiter fließt. Ihr Frequenzbereich liegt unterhalb von 105 Hz. Der Bereich der hochfrequenten EM- Felder liegt zwischen 105 Hz und 1012 Hz. Hierzu zählen u.a. Radarfelder, der Mobilfunkbereich, die Mikrowellen und die Strahlungsfelder von Rundfunk und Fernsehen (HÖFLING 1994).
Die optische Strahlung wurde der Vollständigkeit halber genannt und soll im folgenden nicht weiter beschrieben werden.
2.1.2. Nicht-ionisierende Felder
2.1.2.1. Niederfrequente elektrische und magnetische Felder
Während die hochfrequenten elektromagnetischen Felder im Allgemeinen von Antennen abgestrahlt werden, treten die niederfrequenten elektromagnetischen Felder im Zusammenhang mit den meisten elektrisch betriebenen Geräten und Maschinen auf. Wenn elektrische Ladungen voneinander getrennt sind, herrscht zwischen ihnen ein elektrisches Potential und es baut sich ein elektrisches Kraftfeld auf. So befindet sich z.B. zwischen zwei getrennten Leitern eines Stromkabels ein elektrisches Feld, auch wenn keine Spannung anliegt. Die Stärke eines elektrischen Feldes (elektrische Feldstärke E) wird in V/m (Potentialdifferenz geteilt durch die Entfernung) angegeben (HÖFLING 1994).
Magnetische Felder entstehen überall dort, wo Strom fließt. Tritt ein veränderliches elektrisches Feld auf, z.B. wenn Strom durch einen Leiter fließt, bildet sich senkrecht dazu ein Magnetfeld aus. Allerdings wird auch umgekehrt durch ein magnetisches Feld ein elektrisches Feld induziert. Die Stärke eines Magnetfeldes (magnetische Feldstärke H) wird in A/m (Stromstärke geteilt durch die Entfernung) angegeben (HARTEN 1980).
Zudem wird noch häufig statt der magnetischen Feldstärke die magnetische Flussdichte mit der Einheit Tesla (T) verwendet (1 A/m entspricht 1,3 µT).
Elektrisch betriebene Maschinen und Geräte werden in vielen (europäischen) Ländern mit Wechselstrom der Frequenz 50 Hz betrieben. Bei dieser Frequenz ändern sowohl der fließende Strom aus der Steckdose als auch das dazugehörige Magnetfeld hundertmal in der Sekunde ihre Polarität. Dabei werden von den Geräten und den elektrischen Leitungen elektromagnetische Wellen abgestrahlt. Dies geschieht auch bei Überlandleitungen, in denen der Wechselstrom ebenfalls mit einer Frequenz von 50 Hz fließt (HÖFLING 1994).
Für Dauereinwirkungen elektrischer und magnetischer Felder auf den Menschen bei 50 Hz wurden in der Verordnung über elektromagnetische Felder Grenzwerte von 5 kV/m (elektrische Feldstärke) und 100 µT (magnetische Flussdichte) festgelegt (26. BImSchV 1996).
Seit mehr als 20 Jahren wird Einfluss der elektrischen und magnetischen Felder auf den Menschen untersucht. Dabei wurde ein Zusammenhang zwischen der Exposition mit elektrischen und magnetischen Feldern und einem erhöhten Krebsrisiko beim Menschen vermutet. Dazu sind in den letzten 15 Jahren zahlreiche epidemiologische Untersuchungen
veröffentlicht worden (WERTHEIMER u. LEEPER, 1979, AHLBOM 1988, COLEMAN et al. 1989, WERTHEIMER et al. 1995, COOGAN et al. 1996, JOHANSEN u. OLSEN 1998, SANDLER u. ROSS 1997), die diese Vermutung teilweise unterstützen. Deshalb wurden niederfrequente elektromagnetische Felder von US-amerikanischen und europäischen Gesundheitsbehörden und von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als „possible human carcinogen“ eingestuft (IARC 2002).
Um den Einfluss von elektrischen und magnetischen Feldern auf Organismen zu untersuchen, wurde eine Vielzahl an experimentelle Studien u.a. an Mäusen und Ratten durchgeführt.
Dabei wurde in den wenigsten Fällen die Beeinflussung der Körpertemperatur oder des Kortikosterongehaltes durch elektrische und magnetische Felder untersucht, weshalb nachfolgend auch die Wirkung auf andere Parameter beschrieben werden soll.
SPERBER et al. (1984) untersuchten die Wirkung von magnetischen Feldern auf die Körpertemperatur von fixierten BALB/c-Mäusen. Die Mäuse wurden mit Kunststoffgurten auf einer Leiste fixiert. Bei ihrer Studie stellten sie fest, dass bei einer Exposition mit einem magnetischen Feld, dessen magnetische Flussdichte 3000 µT betrug, sowohl die rektale Körpertemperatur als auch die Hauttemperatur anstieg. Die rektale Körpertemperatur erhöhte sich innerhalb von einer Stunde um 1,9 °C, die dorsale Hauttemperatur stieg um 1,7 °C.
Leider machten die Autoren keine Angaben über die Frequenz des eingesetzten Magnetfeldes.
Im Gegensatz dazu konnten ICHIOKA et al. (2000) keine Erhöhung der Körpertemperatur durch die Exposition mit einem Magnetfeld feststellen. Sie exponierten 35 anästhesierte (1g/kg Urethan, intraperitoneal) männliche Wistar-Ratten (150-170 g) 20 Minuten mit einem statischem Magnetfeld (keine Frequenzangabe) von 8000 µT. Gleichzeitig wurden 15 Tiere unter den selben Bedingungen scheinexponiert. Innerhalb der Magnetspule, in der die Tiere befeldet wurden, wurde die Temperatur konstant auf 32°C gehalten, um ein Auskühlen der Ratten aufgrund der Anästhesie zu verhindern. In dieser Studie zeigte sich, dass im Vergleich zu den scheinexponierten Tieren, sowohl die rektale Körpertemperatur als auch die Hauttemperatur der exponierten Ratten während der Befeldung sank. Eine signifikante Verringerung der Hautdurchblutung wurde ebenfalls festgestellt. Es ist allerdings bei der Interpretation dieser Ergebnisse die allgemein bekannte Temperaturdepression bei einer Narkose zu berücksichtigen.
LÖSCHER et al. (1993) untersuchten den Einfluss von niederfrequenten elektromagnetischen Feldern auf die Promotion von Mamma-Tumoren bei Ratten. Die Körpertemperatur und der Kortikosterongehalt blieben dabei unberücksichtigt. Sie verabreichten 99 weiblichen Sprague- Dawley-Ratten (52 Tage alt) per Schlundsonde viermal im wöchentlichem Abstand 5 mg 7,12-Dimethylbenzo(a)anthrazen (DMBA) intragastral. DMBA induzierte bei 40 % der Ratten innerhalb von drei Monaten Mammatumore. Anschließend wurden die Tiere in ihren Käfigen 24 Stunden täglich über 13 Wochen mit einem 50 Hz, 100 µT Magnetfeld (MF) exponiert.
Eine weitere Gruppe von 99 Ratten wurde mit DMBA behandelt und unter den selben Bedingungen scheinexponiert. Ab der 7. Woche nach der ersten DMBA-Applkation stellten Löscher et al. (1993) bei beiden Gruppen Tumore an den Mammakomplexen fest. Nach 8 Wochen zeigten mehr befeldete als scheinbefeldete Ratten Mammatumore. Am Ende des 13- wöchigen Befeldungszeitraums wurden die Tiere schmerzlos getötet und seziert. Dabei wiesen 51 MF-exponierten und 34 scheinexponierten Ratten Mammatumore auf. Dieser Unterschied war statistisch signifikant (p < 0,05). Auch in einer nachfolgenden Untersuchung von BAUM et al. (1995), in der die Ratten unter gleichen Bedingungen mit DMBA behandelt und mit einem 100 µT-Magnetfeld exponiert wurden, konnten in der MF-Behandlungsgruppe makroskopisch signifikant häufiger Gesäugeknoten festgestellt werden. Außerdem waren in dieser Studie die Tumore mit durchschnittlich 733 mm2 nach der 100 µT-Befeldung größer als die Tumore der scheinbefeldeten Gruppe (367 mm2). In den Studien von MEVISSEN et al.
(1997) und THUN-BATTERSBY et al. (1999) konnten die Ergebnisse von LÖSCHER et al.
(1993) und BAUM et al. (1995) bestätigt werden. In beiden Studien wurden bei den MF- exponierten Gruppen signifikant mehr Tumore festgestellt als in den scheinexponierten Gruppen. MEVISSEN et al. (1996) setzten unter den gleichen Versuchsbedingungen statt 100 µT eine magnetische Flussdichte von 50 µT ein. Sie fanden ebenfalls bei den MF-exponierten und DMBA-behandelten Ratten signifikant mehr Mammatumore als bei den nur mit DMBA behandelten Tieren.
MC CORMICK et al. (1999) untersuchten die Wirkung niederfrequenter EMF auf B6C3F1 Mäuse. In einem Langzeitversuch wurden die Mäuse über zwei Jahre 18,5 Stunden pro Tag, sieben Tage pro Woche mit einem nicht gepulsten 60 Hz Magnetfeld exponiert. Gruppen von jeweils 100 männlichen und 100 weiblichen Mäusen wurden mit einer magnetischen Flussdichte von 0 µT, 2µT, 200µT und 1000µT befeldet. Eine zusätzliche Gruppe von 100
Männchen und 100 Weibchen wurde einem intermittierenden (1 Stunde eingeschaltet, 1 Stunde ausgeschaltet) magnetischen 1000 µT-Feld ausgesetzt. Es zeigte sich, dass lediglich in der Gruppe, in der die männlichen Mäuse einer magnetischen Flussdichte von 1000µT ausgesetzt waren, ein leichter aber statistisch signifikanter Anstieg der Mortalitätsrate zu erkennen war. Die Mortalitätsrate war in allen anderen Gruppen und im Vergleich zu den scheinexponierten Gruppen nicht erhöht. Die anderen untersuchten Merkmale (maligne und benigne Tumorbildung, Körpergewicht) waren in allen Gruppen ähnlich. Auch hier waren die Körpertemperatur und der Kortikosterongehalt nicht Gegenstand der Untersuchung.
2.1.2.2. Hochfrequente elektromagnetische Felder
Hochfrequente elektromagnetische Felder werden im allgemeinen von einer Antenne abgestrahlt und breiten sich in Form einer Welle mit Lichtgeschwindigkeit aus. Bei der Ausbreitung wird Energie z.T. über weite Entfernungen übertragen. Dies wird u.a. besonders bei der Nachrichtenübermittlung für Rundfunk, Fernsehen und bei den Mobiltelefonen ausgenutzt (BUNDESAMT FÜR STRAHLENSCHUTZ 1999).
Wie bei den niederfrequenten Feldern schon ausgeführt, ändert sich beim 50 Hz- Wechselstrom mit jeder Richtungsänderung des fließenden Stroms auch die Ausrichtung des umgebenden Magnetfeldes. Steigt die Frequenz der Richtungsänderung an, und damit auch die Ausrichtung des umgebenden Magnetfeldes, wird die Verknüpfung des elektrischen und magnetischen Feldes so eng, dass sie nicht mehr getrennt voneinander betrachtet werden können. Man spricht deshalb von elektromagnetischen Feldern (CHOU et al. 1996).
Im elektromagnetischem Spektrum liegt der Bereich der hochfrequenten EM-Felder zwischen einer Frequenz von 100 Kilohertz (kHz) bis 300 Gigahertz (GHz) (SARKAR 1994).
Tabelle 2: Frequenzbereich hochfrequenter elektromagnetischer Felder Hochfrequenzbereich
Langwelle 100 kHz – 300 kHz
Mittelwelle 300 kHz – 3 MHz
Kurzwelle 3 MHz – 30 MHz
Ultrakurzwelle 30 MHz – 300 MHz Mikrowellenbereich
Dezimeterwellen 300 MHz – 3 GHz Zentimeterwellen 3 GHz – 30 GHz Millimeterwellen 30 GHz – 300 GHz (nach TIPLER 2000)
Die Energiemenge pro Zeit- und Flächeneinheit, die mit den hochfrequenten elektromagnetischen Feldern transportiert wird, wird auch Strahlungsintensität oder Leistungsflussdichte S genannt und in Leistung pro Flächeneinheit (W/m2, W/cm2) gemessen (HARTEN 1980).
Um allerdings die Wirkung der EM-Felder auf tierisches oder menschliches Körpergewebe darzustellen, ist dieses Maß nicht geeignet. Beim Durchgang durch Materie wird die Strahlungsenergie der elektromagnetischen Welle absorbiert und in Wärme umgewandelt.
Bezieht man die Energieaufnahme pro Zeiteinheit des Gewebes auf die Körpermasse, erhält man die spezifische Absorptionsrate (SAR). Sie wird in Watt pro Kilogramm (W/kg) angegeben und zu ihrer Berechnung sind sehr aufwendige Modellrechnungen nötig. Die SAR ist eigentlich eine Stoffkonstante, was in Bezug auf das Körpergewebe eine gewisse Vereinfachung bedeutet, da das Körpergewebe ja sehr komplex zusammengesetzt ist (CHOU et al. 1996).
Neben der Strahlungsintensität beeinflussen noch weitere Faktoren die Auswirkung einer Exposition von tierischem und menschlichem Gewebe durch hochfrequente elektromagnetische Felder.
Die Eindringtiefe des EM-Feldes in das Gewebe ist von der Frequenz abhängig.
Elektromagnetische Felder mit niedrigen Frequenzen dringen tiefer in das Gewebe ein als Felder mit höheren Frequenzen. Die Felder der Rundfunk-Mittelwelle im MHz-Bereich (um die 3 MHz) haben im menschlichen Gewebe eine Eindringtiefe von 30 cm, während
Frequenzen im Gigahertzbereich, wie sie beim Mobilfunk oder beim Mikrowellenherd eingesetzt werden (0,8 bis 2,5 GHz), beim Menschen eine Eindringtiefe von nur wenige Zentimeter haben. Die elektromagnetischen Felder von Radargeräten mit einer Frequenz von 10 GHz dringen in menschliches Gewebe nur ca. 1 Millimeter tief ein (BUNDESAMT FÜR STRAHLENSCHUTZ 1999).
Das Verhältnis zwischen der Größe des bestrahlten Objektes und der Wellenlänge der Radiofrequenz ist besonders wichtig für die Absorption der mitgeführten Energie des Feldes.
Ist ein Organismus in Relation zur Wellenlänge sehr groß, wird die Energie hauptsächlich von den oberflächlichen Geweben resorbiert, ist es in Bezug auf die Wellenlänge sehr klein, ist nur eine sehr ineffiziente Absorption von Strahlung vorhanden. Die meiste Energie wird vom Organismus aufgenommen, wenn seine Größe nahezu der Hälfte der Wellenlänge der Radiofrequenzen entspricht. Die Frequenz, bei der die meiste Energie absorbiert wird, bezeichnet man als die resonante Frequenz (GORDON 1988). Der Resonanzbereich bezeichnet den Frequenzbereich der elektromagnetischen Felder, der optimal an den jeweiligen Körper angepasst ist, so dass die Energie des EM-Feldes tief in das Gewebe eindringen kann (GORDON et al. 1987a).
Die Morphologie und die Masse einer Tierspezies ist entscheidend dafür, in welchem Bereich die resonanten Frequenzen liegen (GORDON et al.1986b).
Verglichen mit Frequenzen außerhalb des Resonanzbereichs, können Radiofrequenzen im resonanten Bereich zu einem beträchtlichen Anstieg der Körperkerntemperatur führen (D’ANDREA et al. 1977).
Nach GORDON et al. (1986b) liegt die resonante Frequenz für Mäuse im Bereich von 1500- 2500 MHz.
Für mittelgroße Ratten dagegen liegt sie annähernd bei 700 MHz (D’ANDREA et al. 1977).
Beim erwachsenen Menschen befindet sich der Resonanzbereich etwa bei 30 bis 100 MHz (BERNHARDT 1992).
Je weiter der Körper von der Strahlungsquelle entfernt ist, desto weniger Energie wird absorbiert. Deshalb wurden von der Regulierungsbehörden für Telekommunikation und Post und des Bundesamtes für Strahlenschutz die Mindestabstände zu bestimmten Strahlungsquellen wie Sendemasten und Radarstationen vorgegeben. Bei Mobilfunkstationen ist ein Abstand von 3 bis 8 m je nach Anlage vorgeschrieben. Für die Mobiltelefone ist kein
Abstand vorgegeben, allerdings dürfen sie eine bestimmte Sendeleistung nicht überschreiten (BUNDESAMT FÜR STRAHLENSCHUTZ 1999).
Bei hochfrequenten elektromagnetischen Feldern wird zwischen einem Fernfeld und einem Nahfeld unterschieden. Im Fernfeld ist der Abstand der Strahlungsquelle groß gegenüber der Wellenlänge des Feldes. Das Fernfeld befindet sich in einem Abstand von 2 D2/λ, wobei D die Größe der abstrahlenden Antenne und λ die Wellenlänge bezeichnen. Hier stehen die elektrischen und magnetischen Felder senkrecht aufeinander und sind „in Phase“, d.h. beide Feldkomponenten verändern sich gleichzeitig in gleicher Weise. Im Nahfeld ist das elektromagnetische Feld sehr inhomogen, elektrische und magnetische Feldstärke sind nicht
„in Phase“ (CHOU et al. 1996).
Nach FREI et al. (1989) beeinflusst zudem die Orientierung des Körpers zum elektromagnetischem Feld die Absorption. Eine Bestrahlung in E-Orientierung (Körperlängsachse parallel zum elektrischem Feld E) führt zu einer höheren peripheren Erwärmung, während eine H-Orientierung (Körperlängsachse parallel zum magnetischem Feld H) eine stärkere Erwärmung des Körperkerns verursacht.
Auch die Haltung der Tiere während der HF-Exposition (röhrenfixiert, frei beweglich, narkotisiert) ist für Auswirkungen auf den Körper ein beeinflussender Faktor. Bei der Exposition frei beweglicher Tiere wird die Orientierung des Körpers zum elektromagnetischen Feld laufend verändert. Dadurch wird je nach Orientierung des Körpers eine unterschiedliche Menge an Energie aufgenommen (FREI et al. 1989). Die tatsächlich aufgenommene Energiemenge, ab der Veränderungen festzustellen sind, ist deshalb nicht exakt zu bestimmen. Bei Tieren, die während der Exposition frei beweglich sind und für die Befeldung nicht aus ihren Käfigen genommen werden müssen, wird eine Induzierung von Stress durch Manipulationen vermieden. Durch Stress, der z.B. durch eine Röhrenfixation entsteht, wie STAGG et al. (2001) an Ratten zeigten (hier hatte die Ratten nach zweistündiger Fixation in Röhren einen 2- bis 5-fach höheren Kortikosterongehalt als Käfigkontrolltiere), könnten aber Effekte, die durch deine EM-Exposition hervorgerufen werden, verfälscht oder überdeckt werden. Eine Fixierung der Tiere durch eine Anaesthesie führt wiederum zu einer Absenkung der Körpertemperatur, da durch eine Herabsetzung der Stoffwechselaktivität weniger Wärme produziert wird. Durch den herabgesetzten Stoffwechsel können aber
Auswirkungen durch eine EM-Befeldung auf Untersuchungsparameter (z. B.
Körpertemperatur) beeinflusst werden (FREI und JAUCHEM 1989).
Die elektromagnetischen Wellen werden in zwei verschiedenen Formen von den Antennen abgestrahlt. Man unterscheidet zwischen einer kontinuierlichen und einer gepulsten Aussendung. Bei der kontinuierliche Aussendung wird das elektromagnetische Feld durchgehend sinusförmig abgestrahlt (z.B. analoge Rundfunksender, Diebstahlsicherungs- systeme). Durch Modulation der Amplitude der Welle wird hier die Stärke des Signals verändert und somit mehr Information transportiert. Das gepulste Signal wird in zeitlichen Intervallen mit dazwischenliegenden Pausen abgestrahlt. Diese Strahlungsform wird im Mobilfunk, aber auch im Rundfunk- und Fernsehbereich eingesetzt (BUNDESAMT FÜR STRAHLENSCHUTZ 1999).
Alle bestehenden Mobilfunk-Technologien arbeiten im Hochfrequenzbereich des elektromagnetischem Spektrums. Die derzeit in Europa überwiegend benutze Technologie ist das GSM (Global System for Mobil Communications). Weitere Systeme sind das DCS 1800 (Digital personal Communications System), das DECT (Digital European Cordless Telecommunications) sowie das TETRA (Trans European Trunked Radio). Die Trägerfrequenzen dieser Systeme liegen im Bereich von 350-1000 MHz und 1800-2200 MHz.
In Deutschland werden im Mobilfunk innerhalb des D-Netzes 890-960 MHz und innerhalb des E-Netzes 1710-1880 MHz als Trägerfrequenzen benutzt.
Die in den USA und in einigen asiatischen Ländern zur Nachrichtenübermittlung eingesetzten Systeme werden je nach Teilnehmer-Zugriffsverfahren als CDMA (Code Division Multiple Access), FDMA (Frequency Division Multiple Access) und TDMA (Time Division Multiple Access) bezeichnet. Sie benutzen Frequenzen im Bereich von 450-1900 MHz.
Da auch bei den erwähnten europäischen Systemen TDMA-Verfahren eingesetzt werden, die die eigentliche Ursache für die auftretende niederfrequente Pulsung des Hochfrequenzträgers darstellen, soll eine Zeitschlitzstruktur (hier die typische Pulsstruktur von GSM-Handys,
"uplink") am Beispiel des GSM-Systems näher betrachtet werden:
Innerhalb eines Trägerfrequenzkanals von 200 kHz Bandbreite können bis zu 8 Teilnehmer im Zeitmultiplex mit der Basisstation kommunizieren. Dabei ist jedem Teilnehmer für die Dauer der Verbindung ein bestimmter Zeitschlitz in jedem Rahmen der TDMA-Signalstruktur zugeordnet. Für den einzelnen Teilnehmer bedeutet dies, dass sein Handy im Gesprächsmodus
Hochfrequenzpulse ("bursts") von 0,537 bis 0,577 ms Dauer mit einer Wiederholfrequenz von 217 Hz aussendet. Der entsprechende Gegenkanal der Basisstation ("downlink"), dessen Trägerfrequenz um den so genannten Duplexabstand von 45 MHz nach oben versetzt ist, muss bei voller Auslastung alle 8 Teilnehmer eines Kanals versorgen. Daher liegt die typische Pulsfolgefrequenz der von Basisstations-Antennen gesendeten Signale bei 1733 Hz. In besonderen Betriebszuständen des Systems (Verbindungsaufbau, Gesprächspausen etc.) treten zeitweise noch andere Pulsfrequenzen von z.B. 2 Hz und 8 Hz auf (BRINKMANN u.
FRIEDRICH 1997).
Die beschriebenen niederfrequenten Pulsungen des Hochfrequenzträgers werden als Ursache für mögliche biologische Effekte vermutet.
Die absorbierte Energie von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern werden im Gewebe in Wärme umgewandelt. Führt diese Umwandlung der Energie auch zu einer messbaren Erwärmung des Gewebes, dann spricht man von einer „thermischen“ Wirkung. Ist die Wärmebelastung allerdings so niedrig, dass keine Temperaturerhöhung gemessen werden kann, können sogenannte „nichtthermische“ Effekte auftreten (REPACHOLI 1998).
2.1.3.1 Thermische Wirkung
Die thermische Wirkung hochfrequenter elektromagnetischer Felder ist gut bekannt.
Allerdings beruht dieses Wissen hauptsächlich auf Untersuchungen, die mit elektromagnetischen Feldern der Frequenz 2450 MHz durchgeführt wurden (mit dieser Frequenz arbeiten u.a. Mikrowellenherde). Mit EM-Feldern dieser Frequenz wurden viele Studien zur thermischen Wirkung auf den Organismus durchgeführt (ADAIR 1979, GORDON u. FERGUSON 1984, GORDON u. LONG 1984, GORDON 1988). Über die 2.1.3. Wirkung hochfrequenter elektromagnetischer Felder
thermische Wirkung der EM-Felder, die im Mobilfunkbereich eingesetzt werden (800 bis 1900 MHz), wurde bislang wenig publiziert. Die vorhandenen veröffentlichten Daten werden im folgenden dargestellt.
Im Gegensatz zu anderen Wärmequellen durchdringen elektromagnetische Felder das oberflächliche Gewebe und erwärmen direkt das Körperinnere. Dies geschieht auf molekularer Ebene. Elektronen, Atome und Dipole, wie z.B. das Wassermolekül, werden mit der Frequenz des Feldes in Schwingungen versetzt. Beim Abbremsen der in Schwingung geratenen Moleküle wird die Bewegungsenergie in Form von Wärme freigesetzt (BERNHARDT 1992).
Durch eine übermäßige Erwärmung des Gewebes durch die Exposition mit hochfrequenten elektromagnetischen Feldern kann es zu Schädigungen des Körpers kommen. Zu hohe Temperaturen können zur Gerinnung von Enzymen und Proteinen führen (BROWN et al 1994). So kann die Gerinnungsfähigkeit des Blutes durch die erhöhten Temperaturen gesteigert werden, wodurch es zu lokalen Infarkten im Gefäßsystem kommt. Dies hat eine Mangeldurchblutung in dahinterliegenden Gewebebezirken zur Folge (LEITGEB 1991).
Die Fähigkeit der Gewebe, Strahlungsenergie zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln, ist von ihrer chemischen Zusammensetzung abhängig. Gewebe mit einem hohen Wasseranteil, wie z.B. Blut und Muskulatur, absorbieren die Energie wesentlich effektiver als Gewebe mit einem hohen Fettgehalt, wie z.B. Fettgewebe oder Knochen (GORDON 1988). In bestimmten Körperregionen können deshalb abhängig vom Wassergehalt, Leitfähigkeit und Geometrie überdurchschnittliche Absorptionsraten, sogenannte „hot spots“, auftreten (VERSCHAEVE u.
MAES 1998).
SWICORD et al. (1999) ermittelten bei einer Exposition toter BALB/c-Mäuse mit einem kontinuierlichen elektromagnetischem Feld der Frequenz 1600 MHz innerhalb der Körper unterschiedliche SAR-Werte. Allein im Gehirn wurden an verschiedenen Lokalisationen SAR-Werte von 2,2, 2,4 bzw. 2,9 W/kg festgestellt. Bei diesen SAR-Werten erhöhte sich die Temperatur innerhalb einer Minute um 0,9, 1,0 bzw. 1,2 °C.
Ein Organismus ist allerdings in der Lage, durch thermoregulatorische Mechanismen (Vasodilatation, Erhöhung des Blutflusses) und Verhaltensweisen (Aufsuchen kühlerer Räume, Ausstrecken des Körpers) die durch elektromagnetische Felder aufgenommene Wärme abzugeben, ohne dass eine Temperaturerhöhung festzustellen ist. Diese Wirkung der
elektromagnetischen Felder wird zur Abgrenzung von der nichtthermischen Wirkung als
„athermisch“ bezeichnet (JUUTILAINEN u. DE SEZE 1998).
Beispielsweise kommt es bei Mäusen durch eine Exposition mit einem elektromagnetischen Feld der Frequenz 2450 MHz zur Veränderung der Stoffwechselrate, ohne dass sich die Körperkerntemperatur ändert. So exponierten HO und EDWARDS (1979) drei Monate alte, männliche CF1-Mäuse mit einem kontinuierlichen elektromagnetischen Feld der Frequenz 2450 MHz in einer Expositionskammer. In dem 30-minütigen Befeldungszeitraum wurde die Stoffwechselrate anhand des Sauerstoffverbrauchs bestimmt. Die Umgebungstemperatur betrug 24 °C und lag damit unterhalb der von TRAYHURN u. JAMES (1978) ermittelten thermoneutralen Zone (Temperaturbereich, in dem die basale Wärmeproduktion ausreicht um den Wärmeverlust an die Umgebung auszugleichen) der Mäuse von 29-33 °C. HO und EDWARDS (1979) stellten fest, dass es ab einer SAR von 10 W/kg zu einer Absenkung der Stoffwechselrate der Mäuse kommt. Die durch die Bestrahlung zugeführte Wärme kompensiert den Wärmeverlust an die Umgebung, so dass die Stoffwechselaktivität gesenkt werden kann.
Des weiteren ist eine Hyperthermie, die durch elektromagnetische Felder hervorgerufen wird, ist von der SAR und Umgebungstemperatur abhängig. Bei BALB/c-Mäusen, die bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C, 30 °C bzw. 35 °C mit einem elektromagnetischen Feld der Frequenz 2450 MHz in einem Plexiglaskäfig (4,2 x 6,7 x 17,5 cm) exponiert werden, ist eine SAR von 27,5, 12,1 bzw. 0,12 W/kg nötig, um die Körpertemperatur zu erhöhen (GORDON et al. 1986a).
Bei CBA/J-Mäusen, die im Durchschnitt 7-8 g schwerer sind als die BALB/c-Mäuse, genügt allerdings schon eine SAR von 8,5 W/kg (2450 MHz-Befeldung in einem Plexiglaskäfig 4,8 x 6,7 x 17,5 cm) bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C, um eine signifikante Temperaturerhöhung zu erreichen (GORDON et al. 1986b).
Eine Möglichkeit, überschüssige Wärme abzugeben, ist eine Steigerung der Atemfrequenz.
Eine vermehrte Wärmeabgabe durch eine stark erhöhte Atemfrequenz wird bei röhrenfixierten BALB/c-Mäusen bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C durch eine 2450 MHz-Befeldung mit einer SAR von 10 W/kg hervorgerufen. Beträgt die Umgebungstemperatur dagegen nur 20
°C, steigt die Atemfrequenz erst bei einer SAR von 50 W/kg (GORDON u. LONG 1984).
Nach GORDON (1983a) werden frei bewegliche BALB/c-Mäuse durch eine 2450 MHz- Befeldung mit einer SAR von 7 W/kg bei einer Umgebungstemperatur 31 °C dazu veranlasst, eine kühlere Umgebung aufzusuchen.
Einen Zusammenhang zwischen der durch hochfrequente elektromagnetische Felder herbei geführten Hyperthermie und dem Serumkortikosterongehalt ermittelten LOTZ und MICHAELSON (1978). In ihrer Studie exponierten sie frei bewegliche Long-Evans-Ratten in Käfigen mit einem kontinuierlichem 2450 MHz-Feld (SAR: 3,2 bis 6,4 W/kg). Bei jeder Expositionsdauer (30, 60 oder 120 Minuten) kam es nur dann zu einer Erhöhung des Kortikosternspiegels, wenn auch die Körpertemperatur erhöht war. Die Autoren zeigten so, dass der Kortikosteronanstieg eine Folge der Temperaturerhöhung und nicht eine Folge der Befeldung war.
Eine durch elektromagnetische Felder herbeigeführte Erhöhung der Körpertemperatur beeinflusst auch die embryonale Entwicklung der Mäuse. NAWROT et al. (1981) exponierten eine Gruppe frei beweglicher weiblicher CD-1-Mäuse innerhalb ihres Käfigs an den ersten 6 Tagen der Trächtigkeit jeweils 8 Stunden pro Tag mit einem kontinuierlichen elektromagnetischen Feld der Frequenz 2450 MHz (SAR: 40,2 W/kg). Dies führte bei den Mäusen zu einer permanenten Erhöhung der Körpertemperatur um 2,3 °C. Eine weitere Gruppe wurde in den ersten 6 Tagen der Trächtigkeit bei einer Umgebungstemperatur von 31
°C gehalten, was ebenfalls zu einer Körpertemperaturerhöhung von ca. 2,3 °C führt. Bei beiden Gruppen stellten NAWROT et al. (1981) eine signifikante Abnahme des Gewichtes der Feten gegenüber einer Kontrollgruppe fest. Zwischen den beiden Testgruppen fanden sie aber keine signifikanten Unterschiede. Ein Anstieg von Missbildungen konnte weder nach der Befeldung noch nach dem Aufenthalt in der erhöhten Umgebungstemperatur ermittelt werden.
Eine einmalige 15-minütige Exposition röhrenfixierter trächtiger Slc:ICR-Mäuse mit einem kontinuierlichen 2450 MHz-Feld (SAR: 480 ± 120 mW/g) bewirkt ebenso einen Anstieg der Körpertemperatur auf 42 °C, wie ein 15-minütiger Aufenthalt in einem 42 °C warmen Wasserbad. In beiden Fällen kommt es aufgrund der Hyperthermie zu einer Abnahme des Gehirngewichts der Feten. (FUKUI et al 1992).
Schon bei einer gemittelten Ganzkörper-SAR von 1-4 W/kg wurden bei Labortieren, allerdings bei Totenkopfäffchen und Ratten, Verhaltensänderungen, wie die Änderung der
Körperhaltung oder das Aufsuchen kühlerer Umgebungstemperaturen, sowie Veränderungen im Lernverhalten beobachtet (ADAIR u. ADAMS 1980, DE LORGE u. EZELL 1980).
Beim Menschen erhöht sich nach der ICNIRP (International Commision on Non-Ionizing Radiation Protection) die Körpertemperatur bei einer 30-minütigen Ganzkörperexposition mit elektromagnetischen Feldern mit einer SAR von 4 W/kg um 1°C (ICNIRP-GUIDELINES 1998).
Deshalb wurde von der ICNIRP eine spezifische Absorptionsrate von 80 mW/kg (= 1/50 von 4 W/kg) als Grenzwert für lokale Absorptionsspitzen der elektromagnetischen Strahlung festgelegt. Dieser Grenzwert wurde vom deutschen Gesetzgeber übernommen (26. BImSchV 1996).
2.1.3.2. Nichtthermische Wirkung
Während die thermischen Wirkungen hochfrequenter elektromagnetischer Felder gut bekannt sind, sind die nichtthermischen Wirkungen, besonders im Bereich der Mobilfunkfrequenzen, noch umstritten und vergleichsweise schlecht belegt. Da aber gerade die nichtthermischen Wirkungen der elektromagnetischen Felder in der Öffentlichkeit viel diskutiert werden und noch viele Fragen offen sind, sollen nachfolgend die z.T. widersprüchlichen Ergebnisse der zu diesem Thema an verschiedenen Systemen durchgeführten Untersuchungen dargestellt werden.
Beispielsweise war die Kalziumhomöostase Gegenstand einiger Studien, da das Kalzium im Körper eine wichtige Rolle spielt (Muskelkontraktion, synaptische Übertragung, Blutgerinnung, Genexpression). WOLKE et al. (1996) untersuchten den Einfluss hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf die intrazelluläre Kalziumkonzentration von isolierten Herzmuskelzellen des Meerschweinchens. Die Zellen wurden einer SAR von 1 mW/kg bei den Trägerfrequenzen 900, 1300 und 1800 MHz ausgesetzt. Außerdem wurden bei 900 MHz neben der kontinuierlichen auch eine gepulste Befeldung mit Pulsraten von 16 und 50 Hz sowie 30 kHz getestet. Unter keiner der Bedingungen konnte ein Einfluss der Anwesenheit eines Feldes auf die intrazelluläre Kalziumkonzentration nachgewiesen werden.
Einen Einfluss auf den Ca2+-Efflux (Austausch von intrazellulären Ca2+ mit dem extrazellulären Ca2+) konnten DUTTA et al. (1984) an menschlichen Neuroblastomazellen (IMR-32) nachweisen. Die Trägerfrequenz lag bei 915 MHz. Bei einer sinusförmigen Pulsung mit 16 Hz wurden SAR-Werte von 0 bis 5 mW/kg eingesetzt. Der Kalziumefflux stieg bei einer SAR von 0,05 und 1,0 mW/kg signifikant an, während bei niedrigeren und höheren SAR-Werten keine Unterschiede zu scheinexponierten Zellen auftraten.
Den Einfluss hochfrequenter EM-Felder auf das Immunsystem wurde in einer Studie von ELEKES et al. (1996) anhand der Antikörperproduktion untersucht. Dazu wurden frei bewegliche weibliche und männliche BALB/c-Mäuse an sechs aufeinanderfolgenden Tagen jeweils 3 Stunden mit einem 2450 MHz-Feld, kontinuierlich oder mit 50 Hz gepulst, bei einer SAR von 0,14 W/kg befeldet. Während bei den Weibchen keine Veränderungen der Antikörperproduktion festzustellen war, zeigte sich bei den Männchen sowohl bei der kontinuierlichen als auch bei der gepulsten Befeldung ein signifikanter Antikörperanstieg.
SALFORD et al. (1994) untersuchten den Einfluss der EM-Felder auf die Blut-Hirn-Schranke.
Diese Barriere wird von besonders eng verknüpften Endothelzellen und den benachbarten Gliazellen gebildet, wodurch das Gehirn vor dem unkontrollierten Einstrom größerer Moleküle geschützt ist. Nur kleine lipidlösliche Substanzen können die Blut-Hirn-Schranke passiv passieren, während alle anderen Moleküle transportiert werden müssen. SALFORD et al. (1994) setzten insgesamt 246 (männliche und weibliche) Fischer-Ratten ein. Sie wurden in sog. TEM-Kammern (transverse electromagnetic transmission line chamber) einmalig zwei Stunden mit elektromagnetischen Wellen der Frequenz 915 MHz kontinuierlich und gepulst mit 8, 16, 50 und 200 Hz befeldet. Die spezifische Absorptionsrate variierte zwischen 0,016 und 5 W/kg. Albumin wurde als Kontrollsubstanz für die Durchlässigkeit der Blut-Hirn- Schranke verwendet, und es wurde bei 8 % der Kontrolltiere im Gehirn nachgewiesen, während es in insgesamt 30 % der exponierten Tiere auftrat.
Andere wissenschaftlichen Arbeiten untersuchten den Einfluss hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf die Entstehung und Entwicklung von Tumoren. Der Mehrstufen-Prozess der Kanzerogenese mit den Phasen Initiation, Promotion und Progression führt nach einer Latenzzeit von Jahren bis Jahrzehnten von der initialen Transformation der Normalzelle zu einem klinisch manifesten Tumor. Zu Beginn dieser Entwicklung wird die irreversibel geschädigte Zelle noch vom Normalgewebe kontrolliert, doch bereits in der
Promotionsphase erfolgt der Proliferationsstimulus zur klonalen Vermehrung transformierter Zellen, und es entstehen zunächst sogenannte gutartige Geschwülste. Als Progressionsphase wird die weiter fortschreitende Umwandlung der gutartigen (benignen) Tumore in bösartige (maligne) Geschwülste bezeichnet, die sich u.a. durch fortschreitende Autonomie und erhöhtes Metastasierungspotential charakterisieren lassen (WEISS u. KARBE 1990).
Da die Energie hochfrequenter elektromagnetischer Felder nicht ausreicht, um einfache molekulare Verbindungen zu lösen, besteht weitgehende Übereinstimmung, dass sie nicht in der Lage sind, direkte Chromosomenschäden zu initiieren, wie sie für die ionisierende Strahlung typisch sind (REPACHOLI 1998)
Dennoch fanden LAI und SINGH (1995, 1996) in den Hirnzellen von frei beweglichen Ratten, die für zwei Stunden mit einer Frequenz von 2450 MHz (gepulst oder kontinuierlich) mit einer Ganzkörper-SAR von 1,2 W/kg exponiert wurden, chromosomale Einzel- und Doppelstrangbrüche. Die Gehirne der Ratten in den Versuchen von LAI und SINGH (1995, 1996) wurden entweder sofort nach der Exposition oder vier Stunden später entnommen. Die DNA-Brüche waren bei den Gehirnzellen, die vier Stunden nach der Exposition entnommen wurden, ausgeprägter. Zwischen beiden Formen der Expositionen (gepulst oder kontinuierlich) konnten keine Unterschiede festgestellt werden.
VIJAYALAXMI et al. (2000) exponierten humanen Lymphozyten mit einem gepulsten 2450 MHz-Feld mit einer SAR von 2,1 W/kg über 2 Stunden. Wie bei LAI und SINGH (1995, 1996) wurden die Zellen entweder sofort nach Beendigung der Exposition oder erst nachdem sie vier Stunden im 37 °C-Brutschrank bebrütet wurden auf DNA-Schäden untersucht. Die Forscher fanden keine signifikanten Unterschiede zwischen den exponierten und den scheinexponierten Zellen. Auch zwischen den bebrüteten und den sofort nach der Befeldung untersuchten Zellkulturen stellten sie keine Unterschiede hinsichtlich der DNA-Schäden fest.
Im Jahr 2001 veröffentlichten VIJAYALAXMI et al. die Ergebnisse einer Studie, in der menschliche Lymphozyten mit einem 835,62 MHz-Feld über 24 Stunden exponiert wurden.
Es handelte sich hierbei um analoge kontinuierliche FDMA-Signale mit einer SAR von 4,4 und 5,0 W/kg. Die Lymphozyten wurden exponiert bzw. scheinexponiert und als Positivkontrolle wurden Zellen mit Gammastrahlen (1,5 Gy) bestrahlt. VIJAYALAXMI et al.
(2001) stellten wiederum keine signifikanten Unterschiede beim Vergleich der exponierten gegenüber den scheinexponierten Lymphozyten hinsichtlich der Chromosomenveränderungen
fest. Die Zellen, die mit der Gammastrahlung exponiert wurden, zeigten dagegen signifikant häufiger Chromosomenveränderungen.
LI LI et al. (2001) untersuchten ebenfalls den direkten Zusammenhang zwischen den HF-EMF und DNA-Schäden. Sie setzten bei ihren in-vitro Untersuchungen SAR-Werte von 3,2-5,1 W/kg ein. Sie befeldeten Fibroblastenzellkuturen von C3H-Mäusen mit 835,62 MHz oder 847,74 MHz über 2, 4, oder 24 Stunden. Nach der Exposition wurden die Zellen auf DNA- Schäden untersucht, wobei sich zwischen den befeldeten und den unbefeldeten Zellkulturen keine signifikanten Unterschiede befanden.
Eine weitere Studie, die VIJAYALAXMI et al. 2001 veröffentlichten, befasste sich mit dem Einfluss hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf die Bildung von Mikronuklei in den roten Blutkörperchen und den Knochenmarkszellen. Mikronuklei entstehen spontan während der Erythropoese im Knochenmark. Hierbei verlieren die Erythrozyten ihren Zellkern und ein Mikronukleus bleibt zurück. Nach einer gewissen Zeit verschwindet auch dieser aus der Zelle, so dass im Erythrozyten im peripherem Blut in Normalfall kein Mikronukleus mehr zu finden ist. Bestimmte Substanzen könne durch ihre toxische Wirkung dazu führen, dass vermehrt Erythrozyten mit Mikronuklei ins Blut abgegeben werden. VIJAYALAXMI et al. (2001) exponierten deshalb acht männliche Sprangue-Dawley Ratten einzeln in einem Plexiglaskäfig über 24 Stunden mit einem kontinuierlichem 2450 MHz-Feld (SAR 12 W/kg). Sie fanden jedoch keine Unterschiede bezüglich der Bildung von Mikronuklei im peripherem Blut oder in den Knochenmarkszellen.
In der Studie von SYKES et al. (2001) konnte wiederum ein Effekt der EM-Felder auf die intrachromosomale Rekombination festgestellt werden. Sie exponierten röhrenfixierte pKZ1- Mäuse (F2 C57BL/6L X DBA2-Mäuse zurückgekreuzt mit C57BL/6J-Mäusen) mit einem 900 MHz-Feld (gepulst mit 217 Hz, SAR 4 W/kg) jeweils 30 Minuten an 1, 5 und 25 Tagen. Drei Tage nach der letzten Exposition wurden Milzzellen auf DNA-Inversionen (Umkehrung der Genfolge) untersucht. Dabei stellten SYKES et al. (2001) keine signifikanten Unterschiede zwischen den scheinexponierten und den 1 und 5 Tage befeldeten Gruppen fest. Aber bei den Tieren, die 25 Tage befeldet wurden, fanden sie eine Reduktion der DNA-Inversionen.
SYKES et al. (2001) hatten für dieses Ergebnis keine Erklärung, vermuteten aber ein Zusammenhang mit dem Reparatursystem der Zelle. Sie wiesen auch daraufhin, dass die
Anzahl der eingesetzten Mäuse in den einzelnen Gruppen mit 10 oder 20 Tieren sehr gering war, und dass bei einer größeren Tierzahl die Ergebnisse anders ausfallen könnten.
Viele Untersuchungen versuchten die Frage zu klären, ob hochfrequente elektromagnetische Felder bei der Promotion der Kanzerogenese eine Rolle spielen
In einer Studie von MAES et al. (1997) wurde die Wirkung der GMS Frequenz 935,2 MHz allein und in Kombination mit Mitomycin C, eine DNA-schädigende Substanz, auf humane Lymphozyten untersucht. Hierbei sollten untersucht werden, ob durch die Befeldung vermehrt Schwesterchromatide ausgetauscht werden oder vermehrt DNA-Veränderungen und DNA- Einzelstrangbrüche hervorgerufen werden. Die Zellen wurden zwei Stunden mit einem kontinuierlichem EM-Feld der Frequenz 935,2 MHz befeldet. Die spezifische Absorptionsrate betrug 0,3-0,4 W/kg. Einige Proben wurden mit Mitomycin C behandelt und dann der Exposition ausgesetzt. MAES et al. (1997) konnten zwischen den unbehandelten und den nur mit EM-Strahlen exponierten Lymphozyten keine Unterschiede hinsichtlich der DNA- Veränderungen bzw. der Einzelstrangbrüche feststellen. Beim Vergleich der Zellen, die nur mit Mitomycin C behandelt wurden, und denen, die mit Mitomycin C behandelt und zusätzlich noch mit dem EM-Feld exponiert wurden, zeigte sich bei den letztgenannten eine etwas höhere Frequenz beim Austausch von Schwesterchromatiden.
ROTI ROTI et al. (2001) befeldeten embryonale C3H-Mäusezellen mit 835,62 MHz (FDMA) oder 847,74 MHz (CDMA) über sieben Tage bei einer SAR von 0,6 W/kg. Nach der Exposition wurden die Zellkulturen 42 Tage in Inkubationskammern angezüchtet, dann gefärbt und auf zelluläre Veränderungen untersucht. Weitere Zelle wurden zuerst mit Gammastahlen (4,5 Gy) behandelt und dann 42 Tage mit Feldern der selben Frequenzen (835,62 MHz oder 847,74 MHz, SAR 0,6 W/kg) exponiert, um die Wirkung der elektromagnetischen Felder als Promotor neoplastischer Veränderungen zu untersuchen. In beiden Versuchsansätzen konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den exponierten und den scheinexponierten C3H-Zellen gefunden werden.
Viel diskutierte Ergebnisse veröffentlichten REPACHOLI et al. 1997. Für ihre Langzeitstudie (18 Monate) verwendeten sie Eµ-Pim 1 transgene Mäuse. Diese transgenen Tiere exprimieren das Protoonkogen Pim 1 in ihren lymphoiden Zellen. Heterozygote Mäuse dieser transgenen Linie sollten innerhalb von 18 Monaten bei 15% der Tiere lymphoide Tumoren entwickeln. In der Studie wurden 100 Kontroll-Weibchen scheinexponiert und 101 Weibchen wurden
zweimal täglich für 30 Minuten einem GSM-Signal von 900 MHz (271 Hz-gepulst) ausgesetzt. Während der Exposition befanden sich jeweils 5 Mäuse (frei beweglich) in einem Käfig. Die mittleren SAR-Werte lagen zwischen 0,13 und 1,4 W/kg. Eine makropathologische Untersuchung wurde an Mäusen, die während des 18-monatigen Versuchs gestorben waren oder getötet werden mussten, durchgeführt. 22 Tiere der Kontrollgruppe und 43 in der Behandlungsgruppe wiesen Lymphome auf, so dass REPACHOLI et al. (1997) einen signifikanten Anstieg (p< 0,001) der Lymphomrate (22% vs. 43%) durch die Befeldung ermittelten. Allerdings wurden die am Ende der 18-monatigen Studie klinisch gesunden Mäuse als Überlebende gezählt und ohne weitere Untersuchung getötet, so dass noch klinisch gesunde Tiere mit einem Lymphom übersehen worden sein könnten. Des weiteren waren 14 der gestorbenen Tiere zu autolytisch, um histopathologisch untersucht zu werden.
FREI et al. (1998) führten ebenfalls eine 18-monatige Studie durch, in der 100 C3H/HeJ- Mäuse (2 frei bewegliche Mäuse pro Plexiglaskäfig) mit einem kontinuierlichen 2450 MHz- Feld (7 Tage pro Woche, 20 Stunden täglich, SAR: 0,3 W/kg) exponiert und 100 Mäuse scheinexponiert wurden. Bei diesem Mäusestamm kommt es zur spontanen Bildung von Mammatumoren mit einer Inzidenz von über 50 %. Nach Abschluss der Studie konnten keine Hinweise auf eine Beeinflussung von Latenzzeit, Mammatumorrate, allgemeiner Tumorwachstumsrate oder Überlebenszeit der Tiere durch die Befeldung gefunden werden.
ADEY et al. (2000) untersuchten den möglichen promovierenden Effekt eines frequenzmodulierten 836.55 MHz-Feldes auf spontane oder transplazental durch Ethylnitroso- Harnstoff (ENU) induzierte Hirntumoren. ENU induziert bei 10-15 % der Ratten innerhalb einer Lebensspanne von 26 Monaten Hirntumore. In ihrer Studie wurden 540 Fischer-Ratten untersucht. Die Tiere wurden ab dem 19. Tag der Trächtigkeit (in utero) bis zum Absetzen (Tag 21) dreimal täglich für zwei Stunden (7 Tage pro Woche) mit dem EM-Feld (Fernfeld) exponiert und wiederum von Tag 35 an für 22 Monate (dreimal täglich, 4 Tage pro Woche, Nahfeld) in ihren Käfigen (2 bis 3 frei bewegliche Ratten pro Käfig) befeldet. Der SAR-Wert des Nahfeldes wurde von ADEY et al. (2000) mit 1,8 W/kg (Weibchen, durchschnittliches Körpergewicht 236g) bzw. 2,3 W/kg (Männchen, durchschnittliches Körpergewicht 462g) angegeben. ADEY et al. (2000) konnten weder bei den ENU-behandelten Gruppen noch bei den unbehandelten Gruppe Hinweise auf einen Hirntumor initiierenden oder promovierenden Effekt der EMF-Exposition finden.
ZOOK und SIMMENS (2001) setzten in ihrer Studie ebenfalls Ethylnitroso-Harnstoff ein. Sie untersuchten sowohl ein kontinuierliches als auch ein gepulstes 860 MHz-Feld mit einer mittleren SAR von 1 W/kg im Gehirn der Sprague-Dawley Ratten (röhrenfixiert). Die Studie wurde mit insgesamt 900 Tieren durchgeführt. Zur In-utero-Initiation der Gehirntumore wurden drei verschiedene Dosen ( 0, 2,5 und 10 mg/kg) ENU getestet. Die EM- Expositionsdauer betrug 6 Stunden pro Tag und wurde an 5 Tagen pro Woche vom 2. bis zum 22. Lebensmonat durchgeführt. Nach der histopathologischen Untersuchung konnten weder im Gehirn noch in einem anderen Gewebe statistisch signifikante Hinweise auf die Initiation oder Promotion von Tumore durch das gepulste oder kontinuierliche EM-Feld festgestellt werden. Zwischen beiden Befeldungsformen zeigten sich ebenfalls keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Tumorentstehung.
Anhand der beispielhaft aufgeführten Studien wird deutlich, dass Wirkungen hochfrequenter elektromagnetischer Felder im nichtthermischen Bereich auf tierisches und menschliches Gewebe nicht vollkommen auszuschließen sind. Allerdings konnten auch noch keine eindeutig identifizierten und reproduzierbaren Wirkungen festgestellt werden, so dass zu dieser Problematik weiterhin ein großer Forschungsbedarf besteht.
2.2. Körpertemperatur
Mäuse gehören zu den homoiothermen Tieren, d.h. sie sind in der Lage ihre Körpertemperatur in bestimmten Grenzen konstant zu halten, auch wenn sie Kälte oder Wärmebelastungen ausgesetzt sind. Voraussetzung für eine konstante Körpertemperatur ist ein Gleichgewicht zwischen Wärmeproduktion und Wärmeabgabe (JESSEN 1999).
Die Temperatur bei den homoiothermen Tieren ist allerdings nicht an allen Stellen des Körpers gleich. Deshalb wird zwischen einer Körperkerntemperatur und einer Körperschalentemperatur unterschieden, wobei der Körperkern von der Körperschale umgeben ist. Zum Kern gehören das zentrale Nervensystem, die Eingeweide (Niere, Leber, Herz, Darm usw.) sowie ein variabler Anteil der Skelettmuskulatur. Die Schale bilden das
Haar- bzw. Federkleid, die Haut einschließlich der subkutanen Fettschichten und ebenfalls ein variabler Anteil der Skelettmuskulatur (PENZLIN 1996).
Nur die Temperatur des Körperkerns kann durch Regulation innerhalb enger Grenzen konstant gehalten werden, was jedoch nicht bedeutet, dass sie im gesamten Kern gleich ist. Je nach Wärmeproduktion der Organe können die Temperaturunterschiede im Kern bis zu 0,5 °C betragen (SCHMIDT-NIELSEN 1999).
Die temperaturregulierenden Zentren befinden sich im Hypothalamus und der rostral davon gelegene Area praeoptica. Werden diese Zentren zerstört, kann es zum Verlust der Homoiothermie kommen (HÖRNICKE 1987).
An vielen Orten des Körperkerns gibt es Kerntemperatur-Messfühler, die den „Istwert“ der Temperatur an das Regelzentrum im Hypothalamus weiterleiten, wo er mit dem hier gebildeten „Sollwert“ verglichen wird. Bei Abweichungen zwischen dem „Istwert“ und dem
„Sollwert“ werden Steuersignale an die Stellglieder der Wärmeabgabe (Schwitzen, Hecheln, Hautdurchblutung, Verhalten) oder der Wärmeproduktion (Kältezittern, zitterfreie Wärmebildung) geleitet, um die Körperkerntemperatur wieder auf ihren „Sollwert“
zurückzubringen (JESSEN 1999).
Abbildung 2: Regelkreis der Thermoregulation
(nach BRÜCK 1993)
Nach JESSEN (1999) ist die Anzahl der Kerntemperatur-Messfühler im Rückenmark und im Hypothalamus besonders hoch, sie sind aber möglicherweise auch noch an anderen Orten des Körperkerns lokalisiert. Die Messfühler werden durch innere Störgrößen (z.B. vermehrte Wärmeproduktion bei Arbeit) beeinflusst. Äußere Störgrößen (z.B. erhöhte Wärmeabgabe in der Kälte) wirken dagegen auf die Hauttemperatur-Messfühler.
Der Hypothalamus ist verantwortlich für die Festlegung des „Sollwertes“. Bei einer Überwärmung wird der rostrale Anteil des Hypothalamus aktiviert, während es bei einer Abkühlung der kaudale Anteil ist. Das Wärmeabgabezentrum erhält Afferenzen von den Warmrezeptoren im Hypothalamus und im Rückenmarkskanal. Das Wärmebildungszentrum dagegen erhält Signale von den Kaltrezeptoren der Haut. Der Nettowärmestrom verläuft gewöhnlich vom Organismus an die Umwelt. Durch den inneren Wärmestrom wird die Wärme durch Konvektion (Wärmetransport durch die Bewegung erwärmter Massen) mit dem Blutstrom vom Körperkern zur Körperoberfläche transportiert. Durch Vasokonstriktion bzw.
Vasodilatation der Hautgefäße kann die Wärmeabgabe verringert bzw. gesteigert werden. Der äußere Wärmestrom ist für die Wärmeverluste von der Körperoberfläche über Konduktion (Wärmeleitung), Konvektion, Strahlung und Evaporation (Wärmeabgabe durch Verdunstung) verantwortlich (HÖRNICKE 1987).
In Ruhe wird die gesamte im Stoffwechsel umgesetzte Energie zu Wärme. Bei größerer Kältebelastung muss die Wärmeproduktion über den Ruhewert erhöht werden. Eine Möglichkeit besteht durch das Kältezittern, bei dem durch unwillkürliche Kontraktionen der Muskulatur die Wärmeproduktion kurzfristig auf das Fünffache des Ruhewertes gesteigert werden kann (JESSEN 1999).
Die Körpertemperatur unterliegt tagesrhythmischen Schwankungen (circadianer Rhythmus) (CONNOLLY u. LYNCH 1981, WEINETR u. WATERHOUSE 1999, KLEIN 2002).
WEINETR und WATERHOUSE (1999) ermittelten bei weiblichen Haz:ICR-Mäusen ein Temperaturmaximum im Zeitraum von 20:00 Uhr bis 1:00 Uhr innerhalb der Dunkelphase und einen weiteren Maximalwert kurz nach Beginn der Hellphase (7:00 Uhr). Während der Hellphase und zwischen den beiden Temperaturmaxima in der Dunkelphase bzw. beim Übergang in die Hellphase sank die Körpertemperatur um ca. 1-1,4 °C.
Tabelle 3: Mittelwerte (Mw) der rektalen Körpertemperatur der Maus Stamm/
Geschlecht
Körper- temperatur
(Mw)
Maximale Körper- temperatur (Mw)
Minimale Körper- temperatur (Mw)
Zitat
NMRI ♂ 37,1-37,4 °C - - VAN DER HEYDEN
et al. 1997
BALB/c ♂ 36,6 °C - - KRAMER et al. 1998
Haz:ICR ♀ 36,9 °C 37,7 °C 36,2 °C WEINERT u.
WATERHOUSE 1999
C3H/HeJ ♂ 36,0 °C 36,9 °C 35,3 °C TANKERSLEY et al.
2002
C57BL/6J ♂ 36,3 °C 37,4 °C 35,4 °C TANKERSLEY et al.
2002
B6C3F1 ♂ 37,9 °C 38,7 °C 37,0 °C KLEIN 2002
B6C3F1 ♀ 38,3 °C 38,9 °C 37,6 °C KLEIN 2002
In Tabelle 3 sind Angaben zur durchschnittlichen rektalen Körpertemperatur bei verschiedenen Mäusestämmen aufgeführt (sogenannte Normalwerte). Da die Körpertemperatur der Maus deutlichen circadianen Schwankungen unterliegt, sind in der Literatur z.T. auch die durchschnittliche (im Tagesverlauf) minimale und maximale rektale Körpertemperatur angegeben, die daher viel aussagekräftiger als nur ein (täglicher) Temperaturdurchschnittswert sind. Neben der Tageszeit der Messung (circadianer Rhythmus), der Dauer der Manipulation des Tieres (stressinduzierte Hyperthermie), hat das Geschlecht, der Mäusestamm und das Alter der Tiere einen Einfluss auf die Körpertemperatur der Maus.
Die Eindringtiefe des rektalen Messfühlers ist ebenfalls für die Vergleichbarkeit der Temperaturwerte von großer Wichtigkeit, da ein „ausgeprägter“ Temperaturgradient vom After (Körperschale) zum Rektum/Colon besteht. Insbesondere die Angaben zu Tageszeit und zu der Tiefe der rektalen Temperaturmessung fehlen z.T. in den publizierten Arbeiten, so dass solche Temperaturangaben immer vorsichtig zu interpretieren sind.
Die Temperatur der Weibchen ist bis zu 0,3 °C höher als die der Männchen (ZIDEK 1971).
Nach HABICHT (1981) steigt die durchschnittliche Körpertemperatur bei BALB/c-Mäusen während der ersten 12 Monate von 38,5 °C auf 39,5 °C an. Mit zunehmendem Alter nimmt die Körpertemperatur wieder ab, so dass 24 Monate alte Tiere eine durchschnittliche Temperatur von 36,9 °C aufweisen.
Die Körperkerntemperatur der Mäuse wird sehr stark von der Temperatur der Umgebung beeinflusst. Der Bereich der Umgebungstemperatur, in welchem die basale Wärmeproduktion ausreicht, um die Wärmeverluste an die Umgebung auszugleichen und daher keine zusätzliche Energie zur Regulation der Körpertemperatur aufgewendet werden muss, wird als thermoneutrale Zone bezeichnet (ECKERT et al. 2000).
Nach TRAYHURN und JAMES (1978) liegt die thermoneutrale Zone der Maus im Bereich von 29-33 °C.
Bei stark erhöhten oder erniedrigten Umgebungstemperaturen versuchen die Mäuse durch autonome (physiologische) Regulationsvorgänge und durch bestimmte Verhaltensweisen („behavioral thermoregulation“) die Temperatur im Körperkern innerhalb enger Grenzen konstant zu halten. Dabei hat das Verhalten der Tiere grundsätzlich Vorrang vor der Aktivierung der autonomen thermoregulatorischen Effektoren. Es scheint, dass die meisten Tierspezies durch ihr Verhalten versuchen, unter den verschiedenen Umweltbedingungen ihre Stoffwechselleistungen zu minimieren (GORDON 1987b).
Der Aufwand zur Regulation der Temperatur ist um so höher, je extremer die Temperaturen der Umgebung sind (ECKERT et al. 2000).
Die „behavioral thermoregulation“ bezeichnet u.a. die Anpassung der Körperhaltung der Tiere (Zusammenrollen oder Ausstrecken), das Aufsuchen einer kühleren bzw. wärmeren Umgebung, die Veränderungen in der Futter- und Wasseraufnahme, eine veränderte lokomotorische Aktivität und die charakteristischen elterlichen Verhaltensmuster (HAFEZ 1964).
Bei stark erniedrigten Außentemperaturen steigert der Organismus die Wärmeproduktion durch zitterfreie Thermogenese und durch Aktivierung des Zitterns (SHEFFER et al. 1996).
Außerdem werden Wärmeverluste durch Vasokonstriktion der Hautgefäße, besonders im Schwanz, verringert (TALAN et al. 1991).
Zitterfreie Wärmebildung erfolgt durch eine Aktivierung der Enzymsysteme des Fettstoffwechsels im ganzen Körper, so dass es über den Fettabbau und die Oxidation zur Wärmeproduktion kommt. Mäuse besitzen zwischen den Schulterblättern, am Hals, im Mediastinum und in der Nierenregion sogenanntes braunes Fettgewebe (brown adipose tissue, BAT). Braunes Fettgewebe besitzt im Gegensatz zum normalen (weißen) Depotfett
feintropfige „multilokuläre“ Fetteinlagerungen in den Zellen und zahlreiche Mitochondrien, in denen die Wärme durch ATP-Spaltung gebildet wird (HÖRNICKE 1987).
Beim Kältezittern werden durch das Nervensystem Gruppen von antagonistisch arbeitenden Muskeln gleichzeitig aktiviert und durch die Spaltung von ATP wird die notwendige Energie für die Kontraktionen bereit gestellt (ECKERT et al. 2000).
Um bei steigenden Außentemperaturen die Körperkerntemperatur konstant zu halten, muss vermehrt Wärme abgegeben werden. Dabei spielt vor allen Dingen die Vasodilatation im Schwanz eine wichtige Rolle. Die Durchblutung des Schwanzes nimmt proportional zur Körpertemperatur zu, wodurch überschüssige Wärme durch die Haut an die Umgebung abgegeben wird. Das Blut tritt über eine ventrale Arterie in den Schwanz ein und verlässt diesen über zwei laterale Venen und/oder eine zentrale Vene. Die beiden lateralen Venen befinden sich nahe der Körperoberfläche, während die zentrale Vene unmittelbar dorsal der Arterie liegt. Über Verbindungsgefäße steht die zentrale Vene mit den lateralen Venen in Kontakt (RAMAN et al. 1983).
Mit weiter steigenden Umgebungstemperaturen reicht die Wärmeabgabe durch Strahlung, Konduktion und Konvektion nicht mehr aus, um die Körperkerntemperatur konstant zu halten, so dass die durch den Stoffwechsel produzierte Wärme über die Verdunstung von Wasser abgegeben werden muss (HÖRNICKE 1987).
Mäuse sind nicht in der Lage zu schwitzen oder zu hecheln. Deshalb speicheln sie ihr Fell ein und belecken ihre Gliedmaßen, um so durch die gesteigerte Verdunstung Wärme abzugeben (HERRINGTON 1940).
So kann der Wasserverlust durch die Evaporation bei Mäusen nach ROBERTS et al. (1974) bei einem Anstieg der Umgebungstemperatur von 25,4 °C auf 38 °C um 60 % an steigen.
Auch durch äußere Stresseinflüsse wird die Körpertemperatur der Mäuse deutlich verändert.
ZIDEK (1971) und CABANAC und BRIESE (1992) stellten fest, dass einfaches „Handling“
(ein in der englischen Literatur häufig verwendeter Begriff, der jeglichen Umgang mit Tieren beschreibt) eine Temperaturerhöhung bewirkt.
Bei in Gruppen gehaltenen Mäusen, die einzeln nacheinander aus dem Käfig genommen werden, ist die Körpertemperatur der letzten Maus höher als die der ersten (BORSINI et al.
1989).
In einer Studie von KLEIN (2002) steigt die Körpertemperatur von weiblichen B6C3F1- Mäusen nach einer zweistündigen Fixation in Nose-Only-Inhalationsröhren um ca. 1 °C an.
Bei B6C3F1-Männchen ist der Anstieg nicht so deutlich. Außerdem wird nach KLEIN (2002) der Temperaturanstieg bei den Männchen mit zunehmender Gewöhnung an den Aufenthalt in den Nose-Only-Inhalationsröhren immer geringer. Nach ca. einer Woche zeigt sich nach dem Röhrenaufenthalt keine signifikante Temperaturerhöhung mehr. Bei den Weibchen ist dagegen die Körpertemperatur immer noch signifikant erhöht.
Allein fremdes Personal in den Tierräumen lässt schon die Temperatur ansteigen (ZETHOF et al. 1994).
Dementsprechend lösen Transporte und massivere Eingriffe, wie z. B. die Blutentnahme, ebenfalls eine Stressreaktion aus und führen zu einer Hyperthermie (TULI et al. 1994a).
In der Literatur wird die durch Stress hervorgerufene Temperaturerhöhung als
„stressinduzierte Hyperthermie“ bezeichnet (VAN DER HEYDEN 1997).
Die stressinduzierte Temperaturerhöhung ist zeitabhängig. Die Körpertemperatur steigt nach der Stressinduktion um etwa 1-1,5 °C an. Diesen Wert erreicht sie nach ca. 10 Minuten. Die Hyperthermie hält ca. 60 Minuten an und erst nach diesem Zeitraum hat sich die Ausgangstemperatur wieder eingestellt (ZETHOF et al.1994).
Durch elektromagnetische Strahlung mit ausreichendem Energiegehalt kann die Körpertemperatur der Mäuse durch eine Erwärmung des Körperinnern erhöht werden.
Elektroden, Atome und Dipole, wie z.B. das Wassermolekül, werden mit der Frequenz des Feldes in Schwingungen versetzt. Beim Abbremsen der in Schwingung geratenen Moleküle wird die Bewegungsenergie in Form von Wärme freigesetzt (BERNHARDT 1992).
Allerdings ist Körpertemperaturerhöhung nicht nur von der Energie, die von der elektromagnetischen Strahlung an das Gewebe abgegeben wird, abhängig, sondern auch von der Umgebungstemperatur. So wird bei Mäusen, die bei Umgebungstemperaturen von 20, 30 und 35 °C bestrahlt werden, eine SAR von 27,5, 12,1, und 0,12 W/kg benötigt, um einen Anstieg der Körpertemperatur zu erzielen (GORDON et al. 1986b).
Bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C ist eine spezifische Absorptionsrate von ca. 11 W/kg ausreichend, um bei der Maus eine Vasodilatation der Gefäße des Schwanzes zu verursachen (GORDON 1983b).
