Forschungsvorhaben des BfS zur Wirkung starker statischer Magnetfelder

Einfluss statischer Magnetfelder auf Fortpflanzung und Entwicklung

In den letzten Jahrzehnten wurde die Magnet-Resonanz-Tomographie zunehmend auch bei schwangeren Frauen und in der Gynäkologie zur Diagnostik benutzt. Die Entwicklung leistungsfähigerer Tomographen mit höheren Flussdichten zur Verbesserung der Bildqualität erfordert die Überprüfung der biologischen Sicherheit.

Im Forschungsvorhaben "Auswirkungen wiederholter Exposition mit starken statischen Magnetfeldern des MRT auf die Endpunkte Fortpflanzung und Entwicklung im Tiermodell" untersuchten Wissenschaftler an der Universität Duisburg-Essen im Zeitraum von 2008 bis 2011 an Versuchstieren, ob und gegebenenfalls welchen Einfluss starke statische Magnetfelder auf die Entwicklung von Spermien bei männlichen erwachsenen Mäusen sowie auf die Schwangerschaft und die Entwicklung der Embryonen bei weiblichen Mäusen haben. Zudem wurde die Fruchtbarkeit männlicher und weiblicher Mäuse, die während ihrer gesamten Embryonalentwicklung täglich statischen Magnetfeldern ausgesetzt worden waren, getestet.

Die Ergebnisse haben vor allem Bedeutung für die Sicherheit schwangerer Patientinnen sowie des medizinischen Personals.

Mäuse in und vor dem Tomographen Quelle: Universität Duisburg-Essen

Methode

Männliche und schwangere weibliche Mäuse wurden 21 Tage lang täglich 75 Minuten im Isozentrum und am Eingang eines 1,5 Tesla und eines 7 Tesla Magnet-Resonanz-Tomographen exponiert oder zur Kontrolle scheinexponiert (0 Tesla).

Exponierte Männchen und Weibchen

Die Fruchtbarkeit der exponierten Männchen wurde anhand der Spermienvitalität und Morphologie sowie der Beschaffenheit der Hoden untersucht und war nicht negativ beeinflusst. Bei Weibchen zeigte sich kein Einfluss der Magnetfeldexposition auf Schwangerschaftsrate, Schwangerschaftsdauer, Wurfgröße und Geschlechterverteilung der Jungtiere. Es wurden keine Resorptionen (Verlust von Embryonen) beobachtet.

Während der Embryonalentwicklung exponierte Jungtiere

Bei den während der embryonalen Entwicklung exponierten Jungtieren wurden keine Fehlbildungen (Nabelschnurbruch, Hirnbruch, Fehlbildungen von Gliedmaßen) beobachtet. Fehlbildungen der Augenanlagen traten sehr selten auf und zeigten keinen Einfluss der Magnetfeldexposition, waren also bei nicht exponieren Tieren gleich häufig wie bei exponierten.

Bei den meisten während der embryonalen Entwicklung exponierten Gruppen zeigte sich gegenüber den Kontrollen eine leicht verzögerte Entwicklung in Bezug auf Gewicht und das Öffnen der Augen, wobei die bei sieben Tesla exponierten Tiere am wenigsten betroffen waren. Alle Werte lagen im normalen physiologischen Bereich und die Tiere waren gesund.

Maus der Linie C57BL/6 Quelle: Zentralinstitut für seelische Gesundheit Mannheim

Fruchtbarkeit der Jungtiere

Es zeigte sich kein Einfluss der Magnetfeldexposition auf Hoden und Spermien bei den jungen, während ihrer embryonalen Entwicklung exponierten Männchen. Bei Verpaarung mit nicht exponierten Weibchen waren diese Männchen, gemessen an der Schwangerschaftsrate, genauso fruchtbar wie scheinexponierte Tiere.

Die Exposition von jungen Weibchen während ihrer Embryonalentwicklung zeigte nach Verpaarung mit nicht exponierten Männchen keinen Einfluss auf die Schwangerschaftsrate, Anzahl der Embryonen und die Resorptionsrate. Die Weibchen, die während ihrer Embryonalentwicklung mit statischen Magnetfeldern exponiert worden waren, wiesen aber signifikant leichtere Plazenten auf und bei sieben Tesla waren auch die Embryonen signifikant leichter. Das geringere Gewicht der Embryonen und Plazenten könnte einen negativen Einfluss der Exposition darstellen, allerdings waren alle Embryonen gesund und normal entwickelt.

Diskussion

Die Tiere zeigten während der Exposition Verhaltensänderungen, indem sie sich deutlich weniger bewegten als nicht exponierte Tiere. Das lässt darauf schließen, dass sie die Felder wahrgenommen hatten. Aus der Fachliteratur gibt es Hinweise darauf, dass Nagetiere statische Magnetfelder wahrnehmen und als unangenehm empfinden. Dies könnte Stress verursacht haben, der dann zu der beobachteten Entwicklungsverzögerung geführt haben könnte.

Dass Stress die embryonale Entwicklung beeinträchtigt, ist aus der Fachliteratur bekannt. Das Forschungsvorhaben zur kognitiven Leistungsfähigkeit hat gezeigt, dass bei Menschen eine Exposition bis zu sieben Tesla keinen messbaren Stress verursacht. Bei Frauen ist dieser Wirkmechanismus deswegen eher unwahrscheinlich.

Die statistische Auswertung der Studie war so angelegt, dass auch geringfügige Effekte möglichst nicht übersehen wurden. Es wurde nicht für multiple Tests korrigiert. Das hat den Vorteil, dass mögliche negative gesundheitliche Auswirkungen nicht übersehen werden und damit weitestgehend ausgeschlossen werden können. Nachteilig ist, dass falsch positive Ergebnisse möglich sind. Ob dies auf die Entwicklungsverzögerung zutrifft, kann weder bestätigt noch ausgeschlossen werden.

Das kognitive und emotionale Verhalten der während der Embryonalentwicklung exponierten Jungtiere wurde in einem weiterführenden Vorhaben untersucht. Dabei zeigte sich keine Verzögerung in der Entwicklung des Nervensystems und des Verhaltens.

Zusammenfassung

Die Fruchtbarkeit von männlichen sowie der Schwangerschaftsverlauf bei weiblichen Mäusen waren durch eine wiederholte starke Magnetfeldexposition nicht beeinträchtigt.

Die während der embryonalen Entwicklung exponierten Jungtiere zeigten keine gesundheitlich relevanten Einflüsse der Exposition, aber eine gegenüber den Kontrollen leicht verzögerte Entwicklung in Bezug auf das Gewicht und das Öffnen der Augen. Es besteht die Möglichkeit, dass die Entwicklungsverzögerung durch Stress während der Exposition verursacht wurde.

Einfluss statischer Magnetfelder auf emotionales und kognitives Verhalten

Maus im T-förmigen Labyrinth Quelle: ZI Mannheim

Das Forschungsvorhaben "Auswirkungen wiederholter Exposition mit starken statischen Magnetfeldern des MRT während der Embryonalentwicklung auf kognitives und emotionales Verhalten bei Mäusen" wurde im Zeitraum von 2009 bis 2011 am Zentralinstitut für Seelische Gesundheit Mannheim durchgeführt. Es schloss sich an das Vorhaben zur Fortpflanzung und Entwicklung an und untersuchte die Entwicklung des emotionalen und kognitiven Verhaltens (Ängstlichkeit, Lernfähigkeit) bei männlichen und weiblichen Jungtieren, die während ihrer Embryonalentwicklung exponiert worden waren.

Studien mit Nagern bieten die Möglichkeit, sowohl akute als auch Langzeiteffekte einer Magnetfeldexposition in systematischer Weise zu untersuchen. Dabei können insbesondere Verhaltensanalysen dazu beitragen, auch subtilere Effekte einer Magnetfeldexposition auf das sich entwickelnde Gehirn nachzuweisen. In der vorliegenden Studie wurde das Verhalten von jungen erwachsenen Mäusen untersucht, die während der gesamten Embryonalentwicklung täglich für 75 Minuten einem statischen Magnetfeld von sieben Tesla Flussdichte ausgesetzt waren.

In zahlreichen standardisierten Verhaltenstests sowohl für emotionales Verhalten (Ängstlichkeit, Depressivität) als auch für Lernen und Gedächtnis konnten in Abhängigkeit von der Exposition keine Verhaltensauffälligkeiten nachgewiesen werden. Es wurden durchgehend geschlechtsspezifische Unterschiede gefunden. Das spricht für eine hohe Empfindlichkeit der Tests, mit denen auch geringfügige Unterschiede nachgewiesen werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verhalten und die Lernfähigkeit der während der Embryonalentwicklung exponierten Jungtiere normal entwickelte und die im Vorhaben zur Fortpflanzung beobachtete geringfügige Verzögerung der körperlichen Entwicklung keinen weiteren negativen Einfluss hatte.

Ergebnisse aus Tierexperimenten sind zwar nicht vollständig auf Menschen übertragbar, die Ergebnisse deuten aber darauf hin, dass eine Untersuchung von schwangeren Patientinnen im Magnet-Resonanz-Tomographen die gesunde Entwicklung ihrer Kinder nicht beeinträchtigt.

Zusammenfassung

Eine tägliche Exposition von Mäusen während ihrer gesamten embryonalen Entwicklung in einem Magnetfeld von sieben Tesla hat im jungen Erwachsenenalter zu keinen Verhaltensauffälligkeiten oder zu Unterschieden im emotionalen Verhalten (Ängstlichkeit, Depressivität) oder im kognitiven Verhalten (Arbeitsgedächtnis, Langzeitgedächtnis) geführt.

Einfluss statischer Magnetfelder auf die kognitive Leistungsfähigkeit

Testperson am Eingang des Tomographen Quelle: DKFZ Heidelberg

Das Forschungsvorhaben "Auswirkung der Exposition mit starken statischen Magnetfeldern auf die kognitive Leistungsfähigkeit von Probanden" wurde im Zeitraum von 2008 bis 2011 am Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg und am Zentralinstitut für Seelische Gesundheit Mannheim durchgeführt. Es wurde überprüft, ob und in welchem Maße das Wohlbefinden und die kognitive Leistungsfähigkeit von Patienten und im Besonderen des medizinischen Personals durch die Exposition mit statischen Magnetfeldern oder durch die Bewegung in statischen Magnetfeldgradienten beeinträchtigt werden.

Insbesondere bei operativen Eingriffen, die an offenen Magnet-Resonanz-Tomographen durchgeführt werden, muss gewährleistet sein, dass die Leistungsfähigkeit des medizinischen Personals nicht eingeschränkt ist und Patienten dadurch nicht gefährdet werden.

Methode

Zehn unterschiedliche Tests zu Aufmerksamkeit, Reaktionszeit, Gedächtnis, Auge-Hand-Koordination, visueller Kontrastsensitivität und visueller Auflösung, zur Befindlichkeit und zum Stress wurden im statischen Magnetfeld von drei Magnet-Resonanz-Tomographen verschiedener magnetischer Flussdichten (1,5; 3 und 7 Tesla) und zur Kontrolle im feldfreien Raum bei gleichen Umweltbedingungen durchgeführt. Zur Erfassung der Magnetfelder wurde ein Messgerät entwickelt, mit dem gleichzeitig die lokale magnetische Flussdichte und deren zeitliche Änderung für einzelne Probanden gemessen werden konnte.

Ergebnisse

Insgesamt wurden 41 Testpersonen (21 Männer und 20 Frauen) im Alter von 18 - 34 Jahren bei allen Flussdichten jeweils einmal im Zentrum der Magnetbohrung und einmal bei Bewegung durch den Magnetfeldgradienten am Eingang des Scanners untersucht. Die Untersuchung war einfach verblindet, die Probanden waren also nicht darüber informiert, in welcher Flussdichte sie jeweils getestet wurden.

Es zeigten sich keine signifikanten Effekte der verschiedenen statischen Magnetfelder bis sieben Tesla auf die Ergebnisse der einzelnen Kognitionstests. Bezüglich des Wohlbefindens zeigte sich für das Auftreten von Schwindel, Nystagmus (Augenbewegungen), Lichtblitzen und Klingeln im Kopf ein signifikanter Zusammenhang mit dem Anstieg der magnetischen Flussdichte. Schwindel war bei sieben Tesla signifikant stärker ausgeprägt als bei allen anderen Bedingungen. Nach einer kurzen Gewöhnung von einigen Minuten trat er bei 80 Prozent der Testpersonen nicht mehr auf.

Die Messung der Stresshormone vor, während und nach der Untersuchung anhand von Blut- und Speichelproben ergab keine signifikanten Effekte der Flussdichte.

Die per Fragebogen erfassten Schätzungsraten der Testpersonen, in welcher Flussdichte sie sich an einem bestimmten Untersuchungstag befunden hatten, ergaben, dass die Verblindung erfolgreich war. Die Testpersonen konnten die Flussdichte nicht besser als zufällig schätzen.

Zusammenfassung

Vor allem bei magnetischen Flussdichten von sieben Tesla und bei Bewegungen in Magnetfeldgradienten konnten die vorliegenden Angaben zum Auftreten von Schwindel aus der Fachliteratur bestätigt werden. Die Wahrnehmung von Schwindel hatte keinen Einfluss auf die kognitive Leistungsfähigkeit der Testpersonen. Die meisten konnten sich an die Felder schnell gewöhnen und hatten dann keine Beschwerden mehr.

Weitere Informationen

• Auswirkung der Exposition mit starken statischen Magnetfeldern auf die kognitive Leistungsfähigkeit von Probanden - Vorhaben 3608S03009 (Abschlussbericht)
• Heinrich A, Szostek A, Nees F, Meyer P, Semmler W, Flor H (2011) Effects of static magnetic fields on cognition, vital signs, and sensory perception: a meta-analysis. J Magn Reson Imaging. 34(4): 758 - 763
• Heinrich A, Szostek A, Meyer P, Nees F, Rauschenberg J, Gröbner J, Gilles M, Paslakis G, Deuschle M, Semmler W, Flor H (2013) Cognition and sensation in very high static magnetic fields: a randomized case-crossover study with different field strengths. Radiology. 266(1): 236 - 245
• Gilles M, Paslakis G, Heinrich A, Szostek A, Meyer P, Nees F, Rauschenberg J, Gröbner J, Krumm B, Semmler W, Flor H, Meyer-Lindenberg A, Deuschle M. (2013) A cross-over study of effects on the hypothalamus-pituitary-adrenal-(HPA-) axis and the sympathoadrenergic system in magnetic field strength exposure from 0 to 7 Tesla. Stress 16(2): 172 – 180
• Groebner J, Umathum R, Bock M, Krafft AJ, Semmler W, Rauschenberg J (2011) MR safety: simultaneous B0, dΦ/dt, and dB/dt measurements on MR-workers up to 7 T. MAGMA. 24(6): 315 - 322
• Heinrich A, Szostek A, Meyer P, Reinhard I, Gilles M, Paslakis G, Rauschenberg J, Gröbner J, Semmler W, Deuschle M, Meyer-Lindenberg A, Flor H, Nees F (2014) Women are more strongly affected by dizziness in static magnetic fields of magnetic resonance imaging scanners. Neuroreport, 25(14):1081-1084