A biological assay based on human cancer cells was developed as an index of metabolic state. This assay is used here to describe the metabolic actions of a variety of agents: oxygen, melatonin, vitamin C, the drugs oligomycin and imatinib, as well as extra-low frequency (ELF) magnetic fields (MFs). Based on chromosome counts in cancer cells, it led us to uncover a basic mechanism of interaction between ELF MFs and biological materials. The action of MFs is through an alteration of the structure of water originally described by Russian physicists at Lomonosov University in Moscow, in the early 1980s. As is the case in many projects, our work started as a fundamental investigation, specifically of the effects of oxygen on cancer cells in culture.Chromosome counts above 46 are observed in the majority of human tumours. But while real tumours grow in oxygen and nutrient restricted environments, cultured cancer cells are provided with 21% oxygen and generous nutrition, stimulating their metabolism. We studied the connection between metabolic activity of cancer cells and their chromosome counts, observing that five metabolic restrictors induced catabolism and chromosome losses in five hyperploid cancer cell lines. These karyotype contractions allow cancer cells to support fewer chromosomes, increase their proliferation rate and acquire the phenotype of a stable, growing tissue. Hyperploid cancer cells expand or contract their karyotypes through rapid mechanisms of endo-reduplication or chromosome loss. These fast meta-genetic mechanisms explain the surprising adaptability of tumours to changing micro-environments and therapeutic interventions. Furthermore, karyotype contraction may provide a basis for the previously observed carcinogenic action of some anti-oxidants, positioning metabolic restriction as a meta-genetic mechanism of tumour promotion.Biological effects of ELF MFs have lacked a credible mechanism of interaction between fields and living material. The effect of ELF MFs was evaluated in our human cancer cell cultures. Ultimately, five cancer cell lines were exposed to ELF MFs within the range of 0.025 to 5 µT, and were examined for karyotype changes after 6 days. Similar to the chemical metabolic restrictors, all cancer cells lines lose chromosomes from MF exposure. MFs from 25 nT to 5 µT reduce the chromosome counts, with a mostly flat dose-response. Constant MF exposures for three weeks allow a rising return to the baseline, unperturbed karyotypes. From this point, small MF increases or decreases are again capable of inducing KCs. Our data suggests that the KCs are caused by MF interference with mitochondria's ATP synthase (ATPS), compensated by the action of AMP-activated protein kinase (AMPK). The effects of MFs are similar to those of the ATPS inhibitor oligomycin. They are amplified by metformin, an AMPK stimulator, and attenuated by resistin, an AMPK inhibitor. Over environmental MFs, KCs of various cancer cell lines show exceptionally wide and flat dose-responses, except for those of erythro-leukemia cells, which display a progressive rise from 0.025 to 0.4 µT. These observations lead us to uncover a subtle mechanism of interaction between MFs and human metabolism. MFs cause an alteration in the structure of water that impairs the flux of protons in ATPS hydrophilic channels, with many downstream biological effects. Although the connection between MFs and ATPS inhibition through increased proton impedance is fairly clear, the consequences of typical human MF exposures on AMPK and metabolism should be more complex to unravel. This mechanism may be environmentally important, in view of the central role played in human physiology by ATPS and AMPK, particularly in their links to diabetes, cancer and longevity. Our work provides a defensible mechanism to explain the action of MFs on biological materials. / Un test d'état métabolique utilisant des cellules humaines cancéreuses est utilisé pour décrire les effets d'une variété d'agents: oxygène, mélatonine, vitamine C, les drogues oligomycine et imatinib, ainsi que les champs magnétiques (CM) de basse fréquence (BF).Basé sur le comptage de chromosomes (CC) de cellules cancéreuses, il nous amené à découvrir un mécanisme d'interaction entre CM BF et le matériel biologique qui passe par une altération de la structure de l'eau décrite par des physiciens russes au début des années 1980. Nos recherches ont débuté par une investigation des effets de l'oxygène sur les cellules en culture.Des CC supérieurs à 46 sont observés dans la majorité des tumeurs humaines. Alors que les tumeurs réelles se développent dans un milieu pauvre en oxygène et nutriments, les cellules cancéreuses sont entourées par un taux d'oxygène de 21% et une nutrition généreuse, ce qui stimule leur métabolisme. Nous rapportons des réductions de CC suite à une activité métabolique réduite chez cinq types de cellules cancéreuses hyperploïdes. Ces contractions permettent aux cellules de supporter moins de chromosomes, d'augmenter leur prolifération et d'acquérir le phénotype d'un tissu stable en progression. Les cellules hyperploïdes augmentent ou réduisent leur karyotype par des mécanismes rapides d'endo-reduplication ou de pertes chromosomiques. Ces mécanismes méta-génétiques rapides expliquent l'adaptation surprenante des tumeurs aux environnements variables et aux interventions thérapeutiques. La contraction des karyotypes pourrait fournir une base à l'action carcinogénique préalablement observée de certains antioxydants, présentant la restriction métabolique comme un mécanisme méta-génétique de promotion cancéreuse.Les effets biologiques des CM BF n'avaient pas de mécanisme crédible d'interaction entre champ et matériel vivant. Cinq lignées de cellules cancéreuses exposées aux CM BF dans la plage de 0.025 à 5 µT ont montré des changements de karyotype après 6 jours, tout comme les restricteurs métaboliques, avec une dose-réponse essentiellement plate. Une continuation de l'exposition sur trois semaines permet un retour progressif au karyotype original de base. De ce point, de petites augmentations ou décroissances de CM sont à nouveau capables d'induire des contractions de karyotypes. Nos croyons que les contractions sont causées par une interférence des CM avec l'ATP synthase (ATPS) des mitochondries, compensée par l'action de la protéine kinase activée par l'AMP (AMPK). Les effets des CM sont similaires à ceux de l'olygomycine, un inhibiteur de l'ATPS. Ils sont amplifiés par la metformine, un stimulateur de l'AMPK, et atténués par la résistine, un inhibiteur de l'AMPK. Sur la plage des CM environnementaux, les contractions de karyotypes de diverses lignées cancéreuses montrent des doses-réponses plates, sauf pour celles des cellules erythro-leucémiques, qui montrent une augmentation progressive de 0.025 à 0.4 µT.Ces observations nous ont mené à découvrir un mécanisme subtil d'interaction entre CM et le métabolisme humain. Les CM causent une altération de la structure de l'eau qui réduit le flux de protons dans les canaux hydrophiles de l'ATPS. Bien que la connexion entre CM et l'inhibition de l'ATPS par l'augmentation de l'impédance aux protons soit raisonnablement claire, les conséquences des expositions magnétiques humaines typiques sur l'AMPK et le métabolisme sont plus complexes à dégager. Ce mécanisme d'interaction pourrait être important pour l'environnement, en vue du rôle central joué dans la physiologie humaine par l'ATPS et l'AMPK, particulièrement dans leurs liens avec le diabète, le cancer et la longévité. Nos travaux fournissent un mécanisme crédible pour expliquer l'action des CM sur le matériel biologique.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.110366 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Li, Ying |
| Contributors | Paul Heroux (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Occupational Health) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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