不同类型磁场对细胞作用的生物学研究

摘要:本文就不同参数的磁场的细胞生物学效应研究进行了综述,总结了不同类型不同物理参数的磁场对细胞生物学效应的研究成果,结合实验结果对磁场生物学效应的可能物理机制进行了初步探讨,并对磁场的细胞生物学效应的研究前景进行了展望。

关键词:磁场;细胞;生物学效应;物理机制

Biological Effects of Magnetic Fields on C ell

Z HU Jie

Bio physics Lab,College o f Physics and Information Technology,

Shanxi Normal University,Xi.an710062China

ABSTRAC T:This paper has reviewed the biological effects of some kinds of ma gnetic fields,and summarized the progress of effects on cells;and ended with the possible mechanisms of the magnetic fields.actions due to the database of latest experiments and with the previe w to this bright field.

Key words:Magnetic Fields;Cell;Biologic Effect;Physical Mechanism

磁场可分为稳恒磁场和变磁场,稳恒和变化的属性除了与磁场源有关外,还和磁体与机体的相对运动密切相关。从作用机制来讲,稳恒磁场和变化磁场都能在机体内引起电动势而作用于机体,但因他们产生的原因有所差异从而导致两类磁场所引起的生物效也应有异同。变化磁场又因频率高低不同、作用时间长短不一也会产生不同的生物效应。磁场的细胞生物学效应是磁场和细胞共同作用的结果,是与两者的参数密切相连的。磁场参数包括磁场类型、场强大小、均匀性、方向性、作用时间等;细胞因子包括细胞的磁性、种类、敏感性、作用部位等,这些参数都是影响磁场细胞生物学效应的主要因素。生命体总存在于一定的物理环境中,宇宙磁场、地磁场和人为环境磁场是其中的一个重要因素;特别是近些年来工业的发展和医学的进步,人们已越来越注意到这些环境磁场对人体的危害;同时也可利用外加磁场对一些疾病进行治疗,这也让人们看到磁场的双面性,如何利用磁场的治疗功能并避免磁场危害已成为人类关心的话题。细胞作为生命的基本结构与功能单元,它的新陈代谢、信号转导、物质运输等的正常运行是保证生命体正常运转的物质基础。物理因子(磁场)对细胞的作用必然会对生命体的产生一定的影响。本文综述了近些年国内磁场细胞生物学效应研究中的一些成果,并对磁场的作用机理进行了讨论。

稳恒磁场对细胞的生物学作用

赵大源等[1]用0.2T恒磁源作用于兔腹部、背部脊柱两侧,结果显示加磁组的NK细胞活性明显增强,表明应用磁疗可增强机体的免疫调节功能。吕安林[2]等发现在0.35T的恒磁场中体外培养的离体兔主动脉平滑肌细胞的增殖数量显著低于对照组,说明恒磁场对细胞的增殖有抑制作用。贾国良等[3、4]研究了恒磁场对人脐静脉内皮细胞的影响,结果显示0.05mT的恒磁场可以促进该细胞的增殖;人脐动脉平滑肌细胞(VSMC)的实验显示, 1mT和5mT的恒磁场均能抑制VSMC的增殖。端礼荣等[5-7]研究了不同强度恒磁场对肢芽细胞和脑神经细胞作用,结果显示各组磁场强都能明显抑制细胞增殖和分化,并显示强度效应关系,进而给出了抑制细胞分化、增殖可能是稳恒磁场强度致发育危害的主要原因,并认为恒磁场抑制细胞分化和增殖与其蛋白质和脂质过氧化物的合成有关。另外,鼠胚脊髓神经细胞的磁场实验显示,50-200mT 稳恒磁场可促进脊髓神经细胞脂质过氧化过程而致发育期神经系统的损伤。小鼠初级精母细胞和骨髓红细胞的磁场实验显示,随着场强的增加,精母细胞染色体畸变、骨髓红细胞微核率显著增高,说明高强度磁场对体细胞和生殖细胞有致突变性。

低频磁场对细胞的生物学作用

磁场作用可能损伤DNA复制和有丝,引起染色质的破坏。这种损伤对恶性肿瘤细胞表现更为敏感,因为恶性肿瘤细胞属于一种不受宿主控制的高速增殖的异变性细胞,容易受磁场作用的影响。张沪生等[8,9,10,11,12]用电镜可观察到超低频磁

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生物磁学2004年第4卷第4期B IOMAG NET ISM2004Vo l.4No.4场可使鼠S-180肉瘤的有丝相减少,可损伤肉瘤细胞核的DNA复制和抑制细胞的有丝,并且癌细胞周围可出现炎性细胞和RLP现象。他们还观测到磁场影响癌细胞的代谢:磁场使癌细胞的恶性程度降低,抑制其高速和异形生长;磁场抑制癌细胞的和DNA的复制;磁场提高细胞免疫功能,加强淋巴细胞、浆细胞反应。胡大为等[13]的实验表明交变脉冲磁场不仅使肝癌细胞生长受到抑制,而且还可产生免疫效应。黄春明[14]的实验表明,SH-SY5Y和PC-12两种瘤细胞都对磁场振幅和频率敏感,在某些磁场参数下磁场照射能够使细胞代谢活力有明显降低或升高;研究证实了极低频磁场可抑制瘤细胞线粒体的呼吸作用,造成细胞损伤;另一方面也可促使瘤细胞呼吸速率增加,以产生更多的ATP来抵抗外界的刺激。姜常珍[15]为揭示低频磁场作用下人体的电生理特性,研究了轴对称E LF磁场作用下球细胞的感应电场和跨膜电位,并结合相关实验讨论了磁场对Ca2+的影响,对不同磁场激励模式、不同频率下的跨膜电位进行了仿真分析。结果显示,ELF磁场可以改变球细胞的跨膜电位,并与频率相关。

工频磁场对细胞的生物学作用

吴瑞英[16]应用Northern及Dot印迹法检测人恶性淋巴瘤细胞受不同强度的工频磁场辐照作用后其原癌基因c-fos的转录水平。结果显示,0. 8m T及0.4mT的工频磁场对TPA诱导的c-fos基因转录具有协同促进效应。丁早兰[17]研究了正弦交变磁场对K562和WZDs细胞生长的影响,结果显示,抑制的程度除与细胞种类有关外,还与磁场强度,作用时间等因素有关。孙文均[18]研究了不同强度工频磁场作不同时间辐照处理后的细胞,结果显示,工频磁场可以使细胞内一些胞浆蛋白质酪氨酸磷酸化产生时间相关性的变化。朱绍忠[19]经流行病学调查发现,工频磁场可抑制过氧化氢酶活性,并对DNA造成损伤;他们认为磁场所致的活性氧可能是造成DNA损伤的原因。曾群力[20]的研究表明,工频正弦磁场直接和协同TPA抑制体外培养细胞的功能与细胞连接蛋白的内移至胞浆有关。田冰[21]用50Hz正弦磁场以不同强度、不同时间长时间作用于L02和C HL细胞后,两种细胞的增殖均受抑制,但抑制程度与磁场作用量并非呈简单的线性关系;磁场短时间作用对细胞增殖无明显影响。但细胞膜的流动性变差在磁场撤去后膜的流动性又有所恢复。这一现象说明低频弱磁场引起宏观生物效应需要时间的积累。同时观察到磁场短时间作用导致的C HL细胞上表皮生长因子受体的聚集,这可能是低频弱磁场引起宏观生物效应的一种机制。

脉冲磁场对细胞的生物学作用

肖畅等[22]应用峰值为15T的脉冲磁场作用于人白血病MT-2细胞及正常淋巴细胞,结果对正常人淋巴细胞无任何影响,但使MT-2细胞增殖缓慢、细胞活力下降和可溶性白细胞介素释放减少,说明脉冲磁场能选择性地抑制肿瘤细胞的生长繁殖。刘晓秋[23]用250Hz、5MT的脉冲磁场照射HL-60细胞时发现,细胞程序性死亡(PCD)呈时间依赖性增加;脉冲磁场对HL-60细胞周期有影响,随着磁场作用后时间的延长,G0/G1期细胞逐渐减少,G2/M期细胞逐渐增加。而脉冲磁场诱发HL-60细胞PCD可能正与脉冲磁场改变HL-60细胞周期有关。刘晓秋[24]的实验显示,脉冲磁场能明显增加高三尖杉醋碱(HHT)诱导HL-60细胞凋亡,脉冲磁场通过对HL-60细胞周期的影响促进HL-60细胞凋亡从而增加对化疗药物的敏感性。姚学玲[25]研究了脉冲电流磁场对鼠骨髓瘤细胞的影响,证实了脉冲磁场具有很强的生物效应,强的脉冲磁场不仅对细胞生长有明显的抑制作用,甚至会导致细胞的大片死亡。

旋转磁场对细胞的生物学作用

杨修益等[26]用旋转磁场作用于小鼠背部,光镜所见以肝小叶静泳为中习细胞疏松、肝糖元减少或明显减少,电镜所见肝细胞枯否氏细胞明显增多。而对心、脑、肾组织细胞超微结构影响不大。旋磁不仅能使枯否氏细胞增多、肝细胞微绒毛数量增多,而且溶酶体增加,进一步证明磁场能促进机体的新陈代谢和提高免疫功能。高美华[27]用RMT3旋转磁疗机作用于肿瘤区,发现旋转磁场具有明显的抑制SP2/0瘤细胞增殖的作用。亢国英[28]等对烫伤大鼠的旋转磁场处理实验显示,溃疡表面渗出层消失,部分区域表皮增生覆盖表面,皮下纤维较多,且只有少量炎细胞浸润。张小云[29]用放射免疫测定发现磁场促使血浆内啡肤显著升高;荧光分光光度法和E LISA法测定发现磁场可以显著抑制5-HT及顺铂等中枢性致呕药物引起的呕吐反应,并同步伴有脑组织、小肠组织5-HT水平的可逆性下降。另外还发现磁场可促使肾上腺一氧化氮量显著升高。霍小林[30]利用旋转磁场对人肝疮细胞进行作用,发现短时的旋转磁场作用对HepG2细胞株的增殖无明显影响。

磁场作用的物理机理

由于磁场是一种弱的物理因子、生物体内尚无特定的作用靶点,磁场对生物作用机理的研究尚处于假设阶段,如回旋共振模型,磁小体振动模型,构

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生物磁学2004年第4卷第4期B IOMAG NET ISM2004Vo l.4No.4象变化等假说[31]。但从物质的基本物理性质讨论,构成生物体的分子或原子及其更为基本的物理单元都具有磁性,即生物体具有磁性[32]。生物材料可分为抗磁性材料和顺磁性材料。抗磁性材料在不均匀磁场中,会在磁场减小的方向受到弱力的作用,在均匀磁场中则受到弱磁力矩的作用。含有过渡族元素的生物材料、含自由基的生物材料及受各种辐射损伤的生物材料,含有电子自旋和磁矩未抵消的净自旋和净磁矩,在不均匀磁场中回受到沿磁增加方向的力作用,在均匀磁场中则受到较强的磁力矩的作用。并且在生命活动的过程中,物质的转运、信息的传递大都伴随着电荷运动,这类带电物质必将受到磁场的作用。但磁场的作用机理还有待进一步的研究[33]。

总之,磁场的生物效应不仅和磁场的强度、分布以及频率有关,也与生物的种类和层次有关。另外,磁场对生物体的作用存在一定的作用强度域、时间域和场放大效应。而且细胞是一个高度复杂的有序结构,在一定的程度上可以修复自身的损伤,所以当磁场作用于细胞时,上述的几种机制是共同起作用的。

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(收稿日期2004-10-01)

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