In vitro analysis of Quantum Molecular Resonance effects on human mesenchymal stromal cells

Effects of high frequency electromagnetic fields and electric currents on biological systems, in particular concerning stem cells, are not extensively studied. Medical devices based on Quantum Molecular Resonance (QMR) technology are actually used in clinical practice for the treatment of musculoskeletal disorders and post-surgical articulation conditions. QMR is a new technology based on the quantum theory and assumes that a quantum value of energy exists for breaking every type of molecular bond without any increase of temperature. QMR produces waves at high frequencies (4-64 MHz) and low intensity through oscillating electric currents. This work aimed at understanding how QMR acts on the regenerative capacities of human bone marrow mesenchymal stromal cells (MSC). MSC are multipotent non-hematopoietic cells with peculiar immunomodulatory and angiogenic properties and a supportive role in hematopoiesis. Moreover their capacity to be recruited in damaged tissues and to differentiate in tissues of mesodermal origin, make them suitable for cellular therapy and in regenerative medicine. MSC cultures were exposed to QMR for two cycles of treatment at two different nominal powers (40 and 80) using an experimental medical device supplied and patented by Telea Electronic Engineering S.r.l. (Italy). QMR treatments maintained MSC identity and function in terms of morphology, phenotype and multilineage differentiation (adipogenesis, osteogenesis and chondrogenesis). Moreover the treatment did not affect cell viability or proliferation and preserved their intrinsic migration capacity. Microarray analysis revealed that QMR stimulation at 40 nominal power was likely more effective than 80 in inducing molecular changes, as demonstrated by the greater number of up- and down-regulated genes. Specifically, it was observed that genes modulated at 40 were involved into cellular and tissue regeneration processes like extracellular matrix (ECM) remodeling, angiogenesis, cellular migration and regulation of actin filaments. In this regard, quantitative real time PCR results confirmed expression of MMP1, PLAT and A2M genes. These genes generate transcripts for secreted proteins and are involved in ECM remodeling through the fibrinolytic system, which is also implicated in embryogenesis, wound healing and angiogenesis. We conclude that QMR stimulation might favor tissue regeneration probably supporting neoangiogenesis. Further studies are needed to evaluate how these proteins are implicated in MSC regenerative response after QMR exposition.

Gli effetti dei campi elettromagnetici e delle correnti elettriche ad alta frequenza sui sistemi biologici, in particolare nei confronti delle cellule staminali, non sono stati ancora studiati in modo approfondito. Strumentazioni mediche che si basano sulla tecnologia della Risonanza Quantica Molecolare (QMR) sono attualmente utilizzate nella pratica clinica per trattare patologie muscolo-scheletriche e traumi post-chirurgici alle articolazioni. La QMR è una nuova tecnologia che si basa sulla teoria dei quanti ed assume che esiste un valore quantico di energia capace di rompere ogni tipo di legame molecolare senza produrre un incremento di temperatura. La QMR genera onde ad alta frequenza (4-64 MHz) e a basse intensità mediante correnti elettriche oscillanti. Questo lavoro è focalizzato nella comprensione dei meccanismi alla base dell’azione della QMR sulle capacità rigenerative di cellule mesenchimali stromali (MSC) umane ottenute da midollo osseo. Quest’ultime sono cellule multipotenti non ematopoietiche con peculiari proprietà immunomodulanti e di supporto all’ematopoiesi ed alla neoangiogenesi. In virtù della proprietà di queste cellule di essere reclutate in presenza di un danno tissutale, esse trovano applicazione in protocolli di terapia cellulare e medicina rigenerativa. Le colture di MSC sono state esposte a due cicli di trattamento con QMR applicando due diversi settaggi noti come potenze nominali 40 e 80, mediante l’uso di uno strumento medico sperimentale fornito e patentato dalla Telea Electronic Engineering S.r.l. (Italia). In questo studio abbiamo dimostrato che il trattamento con QMR conserva l’identità e la funzione delle MSC in termini di morfologia, fenotipo e capacità di differenziare in tessuto adiposo, osseo e cartilagineo. Inoltre la stimolazione non altera la vitalità o la proliferazione delle cellule e mantiene la loro intrinseca capacità migratoria. L’analisi mediante microarray ha suggerito una maggiore efficacia della stimolazione alla potenza nominale 40 nell’indurre cambiamenti a livello molecolare, come dimostrato dal maggior numero di geni up- e down- regolati. In modo specifico, è stato osservato che i geni modulati con il settaggio 40 sono coinvolti nei processi di rimodellamento della matrice extracellulare, angiogenesi, migrazione cellulare e regolazione dei filamenti actinici. Infine risultati ottenuti in real time PCR quantitativa hanno confermato l’espressione dei geni MMP1, PLAT e A2M. Questi geni producono trascritti per proteine secrete e sono coinvolti nel rimodellamento della matrice extracellulare attraverso il sistema fibrinolitico, il quale è implicato nell’embriogenesi, nella guarigione delle ferite e nell’angiogenesi. In conclusione, la stimolazione con QMR potrebbe favorire la rigenerazione tissutale coinvolgendo probabilmente vie di segnale implicate nella neoangiogenesi. Successivi studi saranno necessari per valutare in modo approfondito come queste proteine possano essere implicate nella risposta rigenerativa delle MSC dopo esposizione con QMR.