Effect of sinusoidal extremely low-frequency electromagnetic stimulation on neurons and glia in a transient stroke model

Abstract

Ischemic stroke is one of the leading causes of death worldwide. Nowadays, treatment options despite their benefits, have limited use. Therefore, the search for new therapeutic strategies is imperative. Previous studies proved sinusoidal extremely low-frequency electromagnetic stimulation (ELF-EMS) benefits permanent stroke models and endothelial cells. However, the effect on the neuroinflammatory response and reperfusion stroke models remains unclear. To evaluate ELF-EMS (13.5mT/60Hz) effectiveness and possible immunomodulatory response, behavioral tests, neuronal survival, and glial reactivity were assessed in vivo and in vitro. Results showed that ELF-EMS improved neurological outcome, locomotion, habituation, and anxiety in ischemia /reperfusion models. ELF-EMS also increased neuronal survival in the hippocampus with decreased astrocytes and microglia reactivity and IL-1β expression. In vitro, ELF-EMS decreased neuronal loss, microglia reactivity, and the expression inflammatory markers in organotypic hippocampal cultures submitted to oxygen and glucose deprivation, but not in monocultures. Furthermore, in vitro studies showed that ELF-EMS did not affect proliferation but decreased lipopolysaccharide and ATP-induced microglia migration, possibly by targeting subcellular pathways involving the Piezo1 channel, PI3K/Akt pathway, and Src protein. Overall, ELF-EMS had a beneficial effect on ischemia/reperfusion injury models by improving neurological outcome. This is linked to a protective effect of neurons, a decrease in glial reactivity, and a modulatory effect on neuroinflammation for which cell crosstalk is needed. This study presents new insights into the mechanism of action of sinusoidal ELF-EMS and indicates that this treatment has clinical potential as a new treatment against ischemic stroke. Keywords: extremely low-frequency electromagnetic stimulation; ischemic stroke; ischemia/reperfusion injury; microglia migration; neuronal survival; glia activation; neuroinflammation; Piezo1

El ictus isquémico es una de las principales causas de muerte mundialmente. Actualmente, los tratamientos disponibles tienen un uso limitado, por tanto, la búsqueda de nuevas estrategias terapéuticas es imperiosa. Estudios anteriores demostraron que el campo magnético de frecuencia extremadamente baja (CMFEB) sinusoidal, tiene efectos beneficiosos sobre modelos de ictus permanente y células endoteliales. Esta investigación se enfocó en evaluar el efecto del CMFEB (13.5mT/60Hz) sobre la respuesta neuroinflamatoria y en la isquemia/reperfusión. Se realizaron pruebas de comportamiento en modelos animales y se analizó la supervivencia neuronal y reactividad glial in vivo e in vitro. Los resultados mostraron que el CMFEB mejoró el estado neurológico, locomoción, habituación y ansiedad en modelos de isquemia/reperfusión. Además, mejoró la supervivencia neuronal, disminuyó la reactividad de los astrocitos y la microglía y la expresión de IL-1β en el hipocampo. In vitro, el CMFEB disminuyó la pérdida neuronal, la reactividad de la microglía y expresión de marcadores inflamatorios en cultivos organotípicos de hipocampo, pero no en monocultivos. El CMFEB no afectó la proliferación, pero disminuyó la migración de la microglía influyendo en el canal Piezo1, la vía PI3K/Akt y la proteína Src. En general, el CMFEB tuvo un efecto beneficioso en los modelos de isquemia/reperfusión mejorando su estado neurológico, resultado de un efecto protector de las neuronas, disminución de la reactividad glial y modulación de la neuroinflamación para lo cual la comunicación celular es importante. Este estudio profundiza en el mecanismo de acción del CMFEB sinusoidal, indicando su potencial como tratamiento del ictus isquémico. Palabras clave: estimulación electromagnética de frecuencia extremadamente baja; ictus; isquemia/reperfusión; migración de microglía; supervivencia neuronal; activación de la glía; neuroinflamación; Piezo1.