纳米尺度下的电磁生物学效应

纳米尺度下的电磁生物效应1.绪论近些年来，随着生活水平的提高，我们日常生活中接触电磁场的机会愈来越多，因此电磁辐射究竟对人体健康有没有危害引来了众多的争论。其中包括一些电器和结构发射出来的极低频率的电磁场（ExtremelyLowFrequencyElectromagneticFields:ELF-EMF），以及通讯设备使用的无线电频段，也就是高频的电磁场（HighFrequencyElectromagneticFields:HF-EMF）。人们已经觉察到了这些辐射的生物学效应，也提出了很多假设，但是对于电磁场如何与生物质发生相互作用，其中的机理尚未可知。考虑到电磁场不大可能会直接导致DNA损伤，绝大多数关于EMF的研究都集中在细胞膜水平，一般的和特殊的基因表达以及信号传导通路。此外，还有的研究集中在细胞增殖、细胞周期调控、细胞分化、细胞代谢以及各种细胞不同的生理学特性方面。通过研究发现，尽管50/60Hz的超低频电磁场（ELF-EMF）不能直接导致基因毒效应（genotoxiceffects），但是在这个频段下的辐射导致的特定的细胞过程有可能会间接地改变DNA的结构从而导致DNA链的断裂和其他的染色体畸形。另外大多数研究也发现，在无线电频段的高频电磁场，也就是GHz级的电磁场，对细胞的主要生理功能没有什么影响，但是在某些特定的情况下（辐射强度很高的时候），它会作为一种应激蛋白的诱导剂，导致细胞内应激蛋白（主要是一些热休克蛋白，如Hsp70等）的产生。在EMF和生物质相互作用的研究中，SAR（具体吸收率：Specificabsorptionrate）是一个重要的参量，单位是W/kg。表示的是单位质量的生物质吸收的电磁场能量功率，当然磁场强度（单位T）和电磁场频率等都是最基本的参数。本文中主要讨论的是超低频率的电磁场以及高频电磁场对于细胞中某些特定的结构和细胞功能的影响。2.纳米尺度下的超低频率电磁场（ELF-EMF）的生物学效应2.1外周血单核细胞中CD4的表达有证据表明ELF-EMF可以影响多种细胞功能，Mario Felaco等人1999年研究了人外周血单核细胞CD4+细胞表面受体表达在ELF-EMF作用下的影响。采用荧光激活细胞分选系统研究发现，辐射组（24,48和72小时）与空白对照组相比，CD4+细胞表面受体表达没有明显差异。但是与空白对照组相比，24小时处理组DNACD4+表达明显增加，而采用PCR技术研究CD4+mRNA。细胞周期调控分析研究表明，处理组S期细胞比例明显增加。由此表明ELF-EMF对人外周血单核细胞中CD4+的转录和表达的影响有所不同。2.2细胞增殖分化，细胞骨架以及基因毒性ELF-EMF对细胞的增殖有促进作用，能促进细胞骨架蛋白的重排，对特定序列的DNA有损伤作用（姐妹染色单体交换，DNA链断裂等），EMF能够加速DNA中电子的移动，和电子相互作用会取代掉结合DNA的氢键的电子，从而导致DNA链的分离，并启动转录。SimonaDelleMonache等人在2008年用1mT，50Hz的ELF-EMF作用于人脐带血管内皮细胞12h，后发现ELF-EMF能提高细胞增殖水平和微管形成同时可以加快伤口愈合。用电子显微镜观察后发现经过ELF-EMF辐射后的细胞细胞膜上大量纤维重新排列，并伴随着大量的粘着斑的形成。WesternBlot分析发现在处理过的细胞中VEGF（血管内皮生长因子）受体2过表达，同时细胞内磷酸化水平提高。表明ELF-EMF可以诱导体外血管生成过程。FedericaI.Wolf等人2004年研究了50Hz的ELF-EMF对三种细胞（HL-60白血病细胞，Rat-1成纤维细胞和WI-38二倍体成纤维细胞）的细胞增殖以及DNA损伤情况的影响。分别用1mT的50Hz的ELF-EMF去辐射这三种细胞12-72小时。结果显示，三种细胞的增殖率都呈现一种随剂量增长的关系，其中辐射72小时后细胞名义增殖率达到了30%。对于12小时和48小时辐射组S期细胞比例增加。通过测量DNA链的断裂来调查ELF-EMF诱导的细胞DNA损伤，发现DNA损伤也呈现随剂量变化规律，在24小时和72小时达到顶峰。在反应体系中加入一种抗氧化剂α-生育酚可阻断ELF-EMF的促细胞增殖和DNA损伤作用，表明ELF-EMF促细胞增殖作用和DNA损伤作用很有可能是一种氧化还原反应。那ELF-EMF的基因毒效应有没有细胞特异性呢？为了阐明这个问题，SabineIvancsits 等人在2005年用六种细胞：人成纤维细胞、人黑素细胞、小鼠颗粒细胞、人淋巴细胞、人单核细胞以及人骨骼肌细胞。这些细胞有些是贴壁细胞，有些事悬浮细胞。采用的ELF-EMF为50Hz，1mT的正弦电磁场，用碱性和中性的彗星实验方法来量化细胞DNA链的断裂程度。最终研究发现前三种细胞系表现出DNA损伤，而相同情况下的后三种细胞没有表现出DNA损伤。StefanoFalone等人在2007年研究50HzELF-EMF对神经母细胞瘤细胞的影响时也发现超低频电磁场对细胞中的氧化还原反应有影响，并且能通过这种影响促进神经母细胞瘤的分化。他们在用50HzELF-EMF辐射神经母细胞瘤细胞后发现了抗氧化剂酶的表达，同时谷胱甘肽的水平被抑制，表明一种分化程度跟高的表现型的产生。类似地，AntonellaLisi等人在2006年用50Hz，2mT的ELF-EMF作用于脑垂体皮质细胞衍生的AtT20D16V细胞，结果发现了细胞形态的变化，并伴随着肌动蛋白微丝的重新分布，胞内钙离子浓度升高，pH值下降，用抗神经微丝蛋白NF-200的单克隆抗体法进一步给出细胞发生早期分化的证据。Jana等人在2006年用小细胞肺癌细胞A549研究ELF-EMF对细胞骨架和染色质的影响，他们采用的是2mT、50Hz的EMF。研究结果发现ELF-EMF可以对细胞F-肌动蛋白微丝和线粒体形貌造成影响，并且能促使细胞核固缩，最终诱导细胞的凋亡，但对于高度规则的染色体结构没有影响。2.3对热休克蛋白（Hsp72等）的影响HSP属于应激反应性蛋白，高温应激可诱导该蛋白质形成。HSP是分子伴侣的一种，在蛋白质翻译后修饰过程中，起到促进需要折叠的多肽链折叠为天然空间构象的蛋白质。有大量的研究表明从μT到mT磁通量密度都能诱导热休克因子、HSP72mRNA或热休克蛋白。EricGottwald等人在2007年研究了ELF-EMF作用下的三种细胞（HL-60，H9c2，Girardi心肌细胞）中HSP72mRNA的转录水平。磁通量密度为2μT到4mT，频率为50Hz，辐射时间为15到30分钟。结果表明尽管HSP72mRNA可以被诱导，但是处理组和空白组的HSP72蛋白质水平没有明显差异，由此表明在某些细胞中HSP72mRNA的转录和表达不一定是偶联的。2.4自由基的释放 ELF-EMF为什么会对细胞的生理功能产生影响呢，在某些情况下会导致最终细胞的凋亡呢？这是因为ELF-EMF能提高细胞自由基水平，通过大量的实验和文献调研，MyrtillSimko等人总结如下：EMF可能诱导细胞处于激活状态，而后增强了自由基的释放，进而导致基因毒性。通过增加自由基的释放EMF辐射会造成急性或慢性的细胞生物学效应：（1）短期辐射能直接激活巨噬细胞（或其他细胞）的内吞作用（或其他细胞的特定反应），继而产生自由基。这个通路可以用来影响免疫反应的某些过程。（2）EMF诱导细胞激活包括直接刺激自由基的产生。（3）EMF辐射能延长自由基的半衰期，从而提高细胞内的自由基浓度。这样，有自由基参与的反应频率大大提高，从而提高了DNA损伤发生的几率。（4）长期的EMF辐射会导致自由基的慢性增长，进而抑制松果腺分泌的褪黑素的效应。2.5电压门控通道的活性为什么ELF-EMF能对细胞的分化产生影响呢？RobertoPiacentini等人用ELF-EMF作用于神经干细胞后发现电压门控Ca2+通道的活性被增强了，从而导致大量的Ca2+内流，最终使得神经干细胞发生分化。总而言之，ELF-EMF对细胞功能的影响主要是能促进细胞增殖和分化，对某些细胞造成一定程度的基因毒性（DNA链断裂，姐妹染色单体交换，细胞核固缩等），并对于细胞某些特定基因的表达造成一定的影响。这些影响的程度与细胞种类，细胞供体的年龄，电磁场状态（强度，频率，连续或脉冲）有关。3.纳米尺度下的高频电磁场（HF-EMF）的生物学效应和ELF-EMF相比，HF-EMF的生物学效应要相对温和许多。当然在比较高的SAR条件下，HF-EMF也能表现出轻微的生物学效应。为了考察2450M的HF-EMF能否会对A172细胞造成应激反应，J.Wang等人在2006年用2450M的HF-EMF作用域A172细胞，采用HSP70和HSP27作为应激标志物。SAR范围设定为5-200W/kg，由于HF-EMF在SAR为50-200W/kg时会在培养基中引起温度的上升，因此他们还设置了热对照组（38-44℃），考察了HSP70和HSP27的表达水平和HSP27的磷酸化水平。结果表明在SAR>50W/kg作用1-3小时后，细胞中HSP70的表达水平呈现一种时间和剂量相关的增长，相似的增长也表现在热对照组中。而HSP27在5-200W/kg范围内都么有升高。然而和40-44℃相比 HSP27的磷酸化在100和200W/kg有瞬时增加。用100W/kgHF-EMF处理1小时后，细胞的HSP72磷酸化水平达到一个顶峰。这些结果表明2450MHF-EMF辐射对于HSP70和HSP27的表达没有太明显的影响。关于HF-EMF的基因毒性，YoshikiKomatsubara等人在2005年用2.45GHz电磁场作用域小鼠m5S细胞，来考察染色体畸变的情况。他们设定SAR值分别为5,10,20,50和100W/kg的连续波，以及平均SAR为100W/kg（最大SAR为900W/kg）的脉冲波，结果与空白对照、丝裂霉素C和X射线辐射组对比，最终发现与空白对照组相比HF-EMF对染色体没有明显影响，而丝裂霉素C和X射线辐射组引起了染色体的畸变。当然HF-EMF在某些情况下对于生物质还是有很大的影响的。SeyedJafarMousavy等人在2009年采用移动电话无线电频段（910和940MHz）的电磁场作用于人血红蛋白，发现血红蛋白的氧吸附能力下降，这是由于在这个频率下的电磁场改变了人血红蛋白的三级结构。ShangchengXu等人在2009年用1800MHz的无线电频段的电磁场作用于初级神经元，发现会对细胞造成氧化损伤。