[論文レビュー] Instant Response of Live HeLa Cells to Static Magnetic Field and Its Magnetic Adaptation

Sufi O. Raja, Anjan Kr. Dasgupta|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2014

Electromagnetic Fields and Biological Effects参考文献 29被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、静磁場（SMF）にさらされたヒトがん細胞（HeLa）が、即座に場に依存する細胞小器官内流動の変化を示すことが明らかになった。この効果は磁場の除去後も持続する。持続的反応は、磁場誘発のスピンコherー, その後のデコherenceに起因するとされ、FRAPデータによりSMF下で回復速度が向上していることが示され、ラジカルペアダイナミクスと細胞適応を含む新しい磁気センシング機構の可能性が示唆される。

ABSTRACT

We report Static Magnetic Field (SMF) induced altered sub-cellular streaming, which retains even after withdrawal of the field. The observation is statistically validated by differential fluorescence recovery after photo-bleaching (FRAP) studies in presence and absence of SMF, recovery rate being higher in presence of SMF. This instant magneto-sensing by live cells can be explained by inherent diamagnetic susceptibility of cells and alternatively by spin recombination, e.g., by the radical pair mechanism. These arguments are however insufficient to explain the retention of the SMF effect even after field withdrawal. Typically, a relaxation time scale at least of the order of minutes is observed. This long duration of the SMF effect can be explained postulating a field induced coherence that is followed by decoherence after the field withdrawal. A related observation is the emergence of enhanced magnetic susceptibility of cells after magnetic pre-incubation. This implies onset of a new spin equilibrium state as a result of prolonged SMF incubation. Lastly, translation of such altered spin states to a cellular signal that leads to an altered sub-cellular streaming, probable intracellular machineries for this translation being discussed in the text.

研究の動機と目的

• 生きたHeLa細胞が静磁場（SMF）にさらされた際の即時の細胞応答を調査すること。
• SMF露出が、磁場の存在が終了した後も細胞小器官内動態に持続的変化を引き起こすかどうかを特定すること。
• 特にスピン状態とラジカルペアダイナミクスを含む、SMF誘発細胞適応の背後にある生物理的メカニズムを解明すること。
• 変化したスピン状態が、測定可能な細胞内シグナル伝達および構造的変化にどのように変換されるかを検討すること。
• 定量的蛍光再結合後画像法（FRAP）を用いてSMFの持続的効果を検証すること。

提案手法

• 100 mTの静磁場（SMF）を、制御された時間にわたり生きたHeLa細胞に露出させること。
• SMFの有無にかかわらず、細胞小器官内流動ダイナミクスを定量的に測定するために、蛍光再結合後画像法（FRAP）を用いること。
• SMF露出下での回復速度に顕著な差が認められるかを統計的に検証すること。
• SMFによる事前インキュベーション後の細胞における磁化率の変化を分析し、新たな平衡状態が形成されたことを示すこと。
• ラジカルペア機構とスピンコherー／デコherenceに基づく理論的枠組みを提示し、持続的効果を説明すること。
• スピン状態の変化が細胞応答にどのように翻訳されるかを担う可能性のある細胞内マシンリリーを議論すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静磁場への露出が、生きたHeLa細胞の細胞小器官内流動に即座かつ測定可能な変化を引き起こすか？
• RQ2 SMFの除去後も効果が持続するか？もしそうならば、その持続時間とメカニズムは何か？
• RQ3 観察された持続的反応の背後にある生物理的メカニズムは何か、特に継続的な磁場露出がない状況下で。
• RQ4 磁気的プリインキュベーションは、HeLa細胞の固有の磁化率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 変化したスピン状態が、観察可能な細胞行動に翻訳されるのを媒介する可能性のある細胞内プロセスは何か？

主な発見

• HeLa細胞はSMFに即座に応答し、FRAP測定により、顕著に増強された細胞小器官内流動が確認された。
• FRAPの回復速度はSMF存在下で上昇しており、細胞成分の移動性または動的性が向上していることを示唆している。
• SMFの効果は、磁場の除去後も少なくとも数分間持続しており、長期的な適応応答が確認された。
• 磁気的プリインキュベーションにより、細胞の磁化率が顕著に上昇した。これは、新たなスピン平衡状態が形成されたことを示唆している。
• SMF効果の持続は、磁場誘発スピンコherーに続く遅いデコherenceに起因する。これは、古典的緩和とは異なる。
• ラジカルペア機構は、初期の磁気センシングの妥当な説明とされるが、長期間の効果を完全に説明するには、追加のコherー機構が必要である。