Studie Darmbarriere: was Handystrahlung im Labor mit Darmzellen macht

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Dipl.-Ing. (FH) Christian Bernd Bauer
Makroaufnahme: ein dunkler Körper, umgeben von einer dünnen helleren Hülle aus dichterem Material, die sich an seine ganze Kontur legt, ein äußerst nahes Detail nur eines kleinen Ausschnitts; der Rest liegt außerhalb des Bildes.

Die Studie Darmbarriere zeigt im Labor, dass Handystrahlung eine Schicht aus Darmzellen fast vollständig durchlässig machte. Zellen mit dem QiOne® 2 Pro daneben behielten ihre Barriere weitgehend. Offen bleiben auf der Studienseite meist drei Fragen: Was ist die Darmbarriere, was bedeutet ein Widerstand von 152 Ohm, und wie nah am Alltag war der Versuch? Die kurzen Antworten: Die Darmbarriere ist eine einzige Zellschicht, die sich laut van der Flier und Clevers (2009) alle 4 bis 5 Tage erneuert. Ein Wert von 152 Ohm mal Quadratzentimeter liegt laut Dartsch (2021) im Bereich der leeren Membran ohne Zellen, die Zellschicht hielt also fast nichts mehr zurück. Das Handy lag in der Studie 4 Stunden direkt unter der Zellschale. Und gemessen wurde an Zellen vom Ferkel in einer Laborschale, nicht am Menschen.

Was ist die Darmbarriere?

Die Darmbarriere ist die Grenzschicht zwischen dem Inhalt des Darms und dem übrigen Körper, gebildet aus einer einzigen Lage von Epithelzellen. Der Pathologe Jerrold R. Turner beschreibt diese Zellen in seiner Übersichtsarbeit von 2009 so.

„Mucosal surfaces are lined by epithelial cells. These cells establish a barrier between sometimes hostile external environments and the internal milieu."
(Turner JR, Intestinal mucosal barrier function in health and disease, Nature Reviews Immunology, 2009).

Sinngemäß übersetzt: Schleimhäute sind mit Epithelzellen ausgekleidet, und diese Zellen bilden die Grenze zwischen einer manchmal rauen Außenwelt und dem Inneren des Körpers.

Die Zellschicht hat laut der Einleitung von Dartsch (2021) zwei Aufgaben zugleich. Sie hält fern, was nicht in den Körper gehört, und sie nimmt Nährstoffe auf. Damit beides klappt, sind die Zellen an ihren Rändern durch sogenannte Tight Junctions verbunden. Das sind Verbindungsstrukturen, die den Spalt zwischen zwei Nachbarzellen abdichten.

Bemerkenswert ist das Tempo, mit dem sich diese Schicht erneuert. Der Stammzellforscher Hans Clevers und seine Kollegin Laurens van der Flier schreiben dazu 2009.

„The mammalian intestine is covered by a single layer of epithelial cells that is renewed every 4-5 days."
(van der Flier LG, Clevers H, Stem cells, self-renewal, and differentiation in the intestinal epithelium, Annual Review of Physiology, 2009).

Sinngemäß: Der Darm von Säugetieren ist mit einer einzigen Zellschicht bedeckt, die sich alle 4 bis 5 Tage erneuert. Genau diese hohe Umsatzrate nennt Prof. Dr. P. C. Dartsch als Grund, warum Darmzellen empfindlich auf oxidativen Stress reagieren.

Wie misst ein Labor, ob eine Zellschicht dicht ist?

Der transepitheliale elektrische Widerstand, kurz TEER, ist der elektrische Widerstand, den eine Zellschicht einem schwachen Strom entgegensetzt. Je dichter die Zellen zusammenhalten, desto schwerer findet der Strom einen Weg, und desto höher ist der Wert. Ein Forscherteam um Balaji Srinivasan fasst die Methode 2015 so zusammen.

„Transepithelial/transendothelial electrical resistance (TEER) is a widely accepted quantitative technique to measure the integrity of tight junction dynamics in cell culture models of endothelial and epithelial monolayers."
(Srinivasan B et al., TEER measurement techniques for in vitro barrier model systems, Journal of Laboratory Automation, 2015).

Sinngemäß: TEER ist ein weithin anerkanntes Verfahren, um zu messen, wie intakt die Abdichtung zwischen den Zellen einer einlagigen Zellschicht ist.

In der Darmstudie lief die Messung in vier Schritten, beschrieben im Methodenteil von Dartsch (2021):

  1. Die Darmzellen wuchsen laut Studie 5 Tage lang auf einer Membran mit Poren von 0,4 Mikrometern.
  2. Die Membran teilte die Schale in einen oberen und einen unteren Raum, wie ein Sieb mit einem Deckel aus Zellen.
  3. Je eine Elektrode kam in die Flüssigkeit oben und unten, ein Handmessgerät zeigte den Widerstand an.
  4. In den Versuch kamen nur Zellschichten mit mindestens 2.000 Ohm mal Quadratzentimeter, also mit dichter Barriere.

Der Vorteil dieser Methode: Sie misst, ohne die Zellen zu beschädigen. Srinivasan und Kollegen weisen zugleich darauf hin, dass Temperatur, Nährmedium und das Alter der Zellkultur den Wert verschieben. Deshalb zählt in einem Versuch der Vergleich zur Kontrollschale unter denselben Bedingungen, nicht die einzelne Zahl.

Was bedeuten die TEER-Werte der Darmstudie?

Ein TEER-Wert ist erst im Vergleich lesbar: mit der unbestrahlten Kontrolle und mit der leeren Membran ohne Zellen. Die Darmstudie liefert beide Vergleichswerte. Gemessen wurde laut Dartsch (2021) 24 Stunden nach den 4 Stunden Bestrahlung, in 3 unabhängigen Versuchen.

Schale TEER in Ohm mal cm² Anteil der Kontrolle
ohne Handy (Kontrolle) 2.542 100 Prozent
Handy mit QiOne® 2 Pro daneben 1.837 72,6 Prozent
Handy ohne Schutz 152 6,0 Prozent
leere Membran ohne Zellen 150 bis 180 nicht berechnet

Alle Werte: Dartsch 2021, Applied Cell Biology 9(3), Abschnitt Ergebnisse und Methoden; Mittelwerte aus n = 3.

Die wichtigste Zeile ist die letzte. Die leere Membran allein misst 150 bis 180 Ohm mal Quadratzentimeter. Die ungeschützte Zellschicht kam auf 152, also in denselben Bereich. Elektrisch gesehen hielt sie nach der Bestrahlung so viel zurück wie eine Membran ohne Zellen. Die Mikrofotos zeigen dazu einen Riss in der Zellschicht (Dartsch 2021, Abbildung 4).

Die geschützte Schicht lag bei 1.837, das sind rund drei Viertel der Kontrolle. Der Autor fand zwischen geschützten Zellen und Kontrolle keinen statistisch bedeutsamen Unterschied. Das passt zu den Streuungen bei Dartsch (2021): plus minus 349 bei den geschützten Zellen und plus minus 389 bei der Kontrolle. Die Werte überlappen sich deutlich.

Warum misst die Darmstudie Regeneration und Dichtigkeit getrennt?

Ein Lückenversuch ist ein Laborverfahren, bei dem eine Lücke im Zellrasen entsteht und gemessen wird, wie weit die Zellen sie wieder schließen. Er beantwortet eine andere Frage als TEER. TEER fragt: Ist die Schicht dicht? Der Lückenversuch fragt: Können sich die Zellen noch bewegen und teilen?

Die Lücke war laut Dartsch (2021) 500 Mikrometer breit. Nach 4 Stunden Bestrahlung und weiteren 8 Stunden Wachstum blieb folgender Anteil frei, jeweils als Mittelwert aus 4 Versuchen.

  • Kontrolle ohne Handy: 13,8 Prozent
  • mit QiOne® 2 Pro: 14,5 Prozent
  • ohne Schutz: 43,7 Prozent

Im Abstract von Dartsch (2021) stehen dafür runde Werte: etwa 60 Prozent weniger Regeneration ohne Schutz, etwa 15 Prozent mit Schutz und in der Kontrolle. Für den eigenen Vergleich eignen sich die gemessenen Restflächen besser, weil sie direkt in der Ergebnistabelle stehen. Die Software IKOSA von KML Vision hat sie aus den Mikrofotos berechnet.

Beide Messungen zusammen ergeben ein Bild, das der Autor in der Diskussion selbst hervorhebt. Die Dichtigkeit der Schicht reagierte viel empfindlicher als die Fähigkeit, eine Lücke zu schließen. Eine frühere Arbeit aus demselben Labor untersuchte Immunzellen. Deren Abwehrleistung sank unter Handystrahlung um etwa 40 Prozent und mit QiOne® 2 Pro um 16 Prozent, so berichtet es Dartsch (2021) in der Diskussion. Die Ergebnisse dieser Arbeit stehen auf der Seite zur Studie mit Immunzellen.

Wie nah am Alltag war der Versuchsaufbau?

Die spezifische Absorptionsrate, kurz SAR, gibt an, wie viel Strahlungsenergie ein Körper je Kilogramm aufnimmt, und ist der übliche Kennwert eines Handys. Das Handy im Versuch hatte laut Methodenteil von Dartsch (2021) einen SAR-Wert von 0,76 Watt pro Kilogramm und sendete aktiv über Mobilfunk und WLAN.

Der Aufbau im Überblick, alles laut Dartsch (2021):

  • Die Zellschale lag direkt auf dem Display, in Strahlrichtung zum Nutzer.
  • Die Bestrahlung dauerte 4 Stunden bei 37 Grad Celsius in einem Mini-Brutschrank.
  • Der QiOne® 2 Pro lag rechts neben der Schale (Abbildung 1 der Studie).
  • Wärmewirkung und andere Wirkungen der Strahlung wurden nicht getrennt, weil beim Telefonieren beides auftritt.

Für die Einordnung heißt das: Die Zellen waren näher und länger am Gerät als dein Ohr bei einem üblichen Telefonat. Außerdem fehlt in der Schale alles, was einen lebenden Darm umgibt: Haut, Muskeln, Blutfluss und die übrigen Organe.

Gibt es Daten aus einem lebenden Organismus? Eine Arbeit von Karolina Sieroń und Kollegen aus dem Jahr 2021 untersuchte 40 Ratten über 28 Tage, im Tierversuch. Bei den Tieren unter Handystrahlung mit 900 Megahertz lag ein Marker für oxidativen Stress im Dickdarm höher als bei der Kontrollgruppe. Die stärksten Veränderungen fanden die Autoren allerdings bei niederfrequenten Feldern mit 50 Hertz, wie sie etwa von Stromleitungen ausgehen.

Was erklärt die Darmstudie, und was bleibt offen?

In vitro heißt „im Glas": Gemessen wird an Zellen außerhalb eines lebenden Körpers. Die Darmstudie von 2021 ist eine solche In-vitro-Arbeit. Ihre Aussagekraft hängt deshalb an fünf Eckdaten, die alle in der Publikation stehen:

  • Zellen: IPEC-J2, eine Linie aus dem Dünndarm eines neugeborenen Ferkels (DSMZ Braunschweig, ACC-701).
  • Umfang: 4 Versuche beim Lückenversuch, 3 Versuche bei TEER.
  • Labor: ein Institut, die Dartsch Scientific GmbH in Wagenfeld.
  • Gerät: von Qi Blanco für die Versuche bereitgestellt.
  • Menschen: eine Studie am Menschen zu dieser Frage gibt es bisher nicht.

Die Zelllinie gilt in der Forschung als gutes Modell, weil sie weder genetisch verändert noch tumorbildend ist. Ob ein Effekt in der Schale beim Menschen in gleicher Stärke auftritt, kann eine Laborstudie grundsätzlich nicht beantworten.

Zur Erklärung verweist der Autor auf kohärentes Wasser. Gemeint ist ein geordneter Zustand von Wassermolekülen, den der Gitterchip im QiOne® 2 Pro laut Hersteller anregt. Sein Bild dafür ist ein Faradayscher Käfig: Ein geordnetes System könnte äußere Felder abschirmen, so wie ein Metallgitter ein Auto bei Gewitter. Das ist eine Erklärungsidee des Autors. Gemessen hat die Studie den Effekt, nicht den Mechanismus.

Was sagt der Studienautor zur Schutzwirkung?

Die Schlussfolgerung ist der Kernsatz, mit dem ein Autor sein Ergebnis auf den Punkt bringt. Prof. Dr. P. C. Dartsch schreibt im Abstract, in der deutschen Übersetzung des Hauses.

„Die Ergebnisse zeigen, dass das QiOne® 2 Pro-Gerät in der Lage ist, unerwünschte zelluläre Auswirkungen von Mobiltelefon-Bestrahlung zu reduzieren."
(Dartsch PC, Protective Effect of QiOne® 2 Pro on Cultured Intestinal Epithelial Cells after Mobile Phone Radiation, Applied Cell Biology 9(3), 2021, S. 69-74, DOI 10.53043/2320-1991.acb90012, Abstract, Schlussfolgerung).

Die Grenze gehört direkt daneben. Der Satz gilt für Zellen in einer Laborschale, und zwar für eine Zelllinie vom Schwein in 3 bis 4 Versuchen. Über die Wirkung im lebenden Menschen sagt er nichts aus. Für dich heißt das: Du kennst jetzt die Messung hinter den Balken, den Abstand zwischen 152 und 2.542 Ohm und die Frage, die eine Studie am Menschen noch beantworten muss. Die vollständige Publikation auf Deutsch und das englische Original findest du auf der Seite zur Studie Darmbarriere. Alle fünf Arbeiten im Überblick stehen auf der Studienübersicht.

Häufige Fragen zur Studie Darmbarriere

Wurde die Darmstudie an Menschen durchgeführt?

Nein. Gemessen wurde an IPEC-J2-Zellen aus dem Dünndarm eines Ferkels, in einer Laborschale. Eine Studie am Menschen zu dieser Frage gibt es bisher nicht.

Was bedeutet ein TEER von 152 Ohm mal Quadratzentimeter?

Der Wert liegt im Bereich der leeren Membran ohne Zellen, die laut Studie 150 bis 180 misst. Die ungeschützte Zellschicht hielt nach der Bestrahlung elektrisch kaum noch etwas zurück.

Warum lag die geschützte Zellschicht nur bei 72,6 Prozent?

Die Messwerte streuen stark, bei der Kontrolle um plus minus 389. Der Autor fand zwischen geschützten Zellen und Kontrolle keinen statistisch bedeutsamen Unterschied.

Wie lange lag das Handy auf den Zellen?

4 Stunden, direkt auf dem Display, aktiv sendend über Mobilfunk und WLAN, mit einem SAR-Wert von 0,76 Watt pro Kilogramm.

Wer hat die Darmstudie geleitet?

Prof. Dr. P. C. Dartsch, Dartsch Scientific GmbH in Wagenfeld. Erschienen ist sie 2021 in der Zeitschrift Applied Cell Biology. Das Gerät stellte Qi Blanco bereit.

Kernaussagen zur Studie Darmbarriere

  • Die Darmbarriere ist eine einzige Zellschicht, die sich laut van der Flier und Clevers alle 4 bis 5 Tage erneuert.
  • TEER misst, wie dicht eine Zellschicht ist; höhere Werte bedeuten eine dichtere Barriere.
  • Ungeschützte Darmzellen fielen nach Handystrahlung auf 152 Ohm, den Wert einer leeren Membran.
  • Mit QiOne® 2 Pro daneben blieben 1.837 Ohm, rund drei Viertel der unbestrahlten Kontrolle.
  • Im Lückenversuch blieb ohne Schutz 43,7 Prozent der Lücke frei, mit Schutz 14,5 Prozent.
  • Das Handy lag 4 Stunden direkt unter der Zellschale, näher und länger als bei einem Telefonat.
  • Die Studie ist eine Laborarbeit an Ferkelzellen; eine Studie am Menschen steht noch aus.

Quellen und weiterführende Literatur