韓毓旺 侯亞義 都有為

①副教授,南京工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,南京210009;②教授,南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院,南京 210093;③中國科學(xué)院院士,南京大學(xué)物理學(xué)系,南京210093

生物電磁特性與電磁生物學(xué)效應(yīng)的概述及最新進(jìn)展

韓毓旺①侯亞義②都有為③

①副教授,南京工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,南京210009;②教授,南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院,南京 210093;③中國科學(xué)院院士,南京大學(xué)物理學(xué)系,南京210093

電磁場 生物電磁特性 電磁生物學(xué)效應(yīng) 生物電磁測量 電磁干預(yù)

筆者簡要地介紹了生物電磁學(xué)的概念,分別敘述了生物電磁源特性、生物電磁測量及其應(yīng)用以及電磁輻射對生命的調(diào)節(jié)和干預(yù)。重點(diǎn)綜述了電阻抗成像、太赫茲(THz)波成像、電脈沖治療及磁場干預(yù)的最新研究情況。

1 生物電磁學(xué)簡介

生物電磁學(xué)(bioelectromagnetism)是一門研究與生物組織有關(guān)的電、磁及電磁現(xiàn)象的學(xué)科。這些現(xiàn)象包括可興奮組織的行為、生物體(容積導(dǎo)體)中的電流和電勢、體內(nèi)外磁場、可興奮細(xì)胞對電、磁場刺激的響應(yīng)及生物組織本征電磁特性等[1]。這里所涉及的電磁波主要是指非電離輻射,不包括X射線等電離輻射。生物電磁學(xué)本質(zhì)上是生命科學(xué)與物理學(xué)和工程科學(xué)的交叉學(xué)科,它與生物物理、生物工程、生物醫(yī)藥工程、醫(yī)療電子、生物技術(shù)等學(xué)科既有區(qū)別又密切相關(guān)。生物本征電磁特性、生物體電磁場測量和外界電磁場與生物體相互作用這三方面是生物電磁學(xué)的主要內(nèi)涵。

2 生物體的電磁來源

從物理學(xué)的角度分析,生物體中存在著不同層次的電磁特性,這些都是生物體內(nèi)電磁場的來源,也是與外界電磁場相互作用的位點(diǎn)。為了討論的方便,我們從分子、細(xì)胞、組織器官等三個(gè)層次來分析[2-3]。

首先從分子水平來講,生物體中存在著帶電離子(Na+,K+和Ca2+等)和生物大分子(核酸、氨基酸和蛋白質(zhì)等)。生物大分子是以偶極子形式存在的,如氨基酸含有氨基(荷正電)和羧基(荷負(fù)電)形成偶極子,具有一定的偶極矩。據(jù)此可以把生物體看成是一個(gè)包含有離子和偶極子等的容積導(dǎo)體,這些生物體內(nèi)存在的局部電荷或偶極子在外界電磁場或下面講到的膜電位驅(qū)動下發(fā)生傳導(dǎo)而產(chǎn)生生物電流。水在生物體中具有非常重要的意義,其在生物體中的含量平均約占70%。水分子實(shí)際上也是以偶極子形式存在,但一般水分子在體內(nèi)是和離子或其他物質(zhì)結(jié)合存在。液態(tài)水中實(shí)際上存在很多有挨個(gè)分子組成的氫鍵鏈,溫度越低,氫鍵鏈越長。外加電場作用下鏈中的氫離子以跳躍方式在氫鍵鏈中遷移,產(chǎn)生電流。龐小峰[4]考察了不同溫度外磁場作用下水的紅外光譜(圖1a),研究表明磁場作用下液態(tài)水的某些宏觀性質(zhì),如介電常數(shù)、磁化率、電導(dǎo)率和 Raman散射等發(fā)生了變化,認(rèn)為磁場作用下形成了大量有序環(huán)形水分子鏈,并發(fā)現(xiàn)依據(jù)模型(圖1b)所作的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,這些研究較好地揭示了“磁化水”的產(chǎn)生機(jī)理及弛豫現(xiàn)象。

圖1 水在磁場作用下的紅外光譜

其次從細(xì)胞水平來看,由于細(xì)胞膜的內(nèi)外兩側(cè)離子分布不對稱,其膜外帶正電,膜內(nèi)帶負(fù)電,所以細(xì)胞在靜息狀態(tài)時(shí)存在靜息電位;而在外界刺激下細(xì)胞興奮,引起靜息電位波動產(chǎn)生動作電位。靜息電位和動作電位都在100 mV數(shù)量級,而細(xì)胞膜厚度僅為10 nm左右,因此電場強(qiáng)度可達(dá)105V/cm。另外細(xì)胞膜上還存在許多離子通道(圖2),離子在膜內(nèi)外沿離子通道的被動或主動遷移即產(chǎn)生生物電流。

圖2 細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及電磁特性

既然組成生物組織的基本單元細(xì)胞及其內(nèi)外環(huán)境中的水和生物分子都具有一定電磁特性,那么生物組織、器官以致整個(gè)生物體必然也具有一定的宏觀電磁學(xué)特征。比如心電、心磁、肌電、肌磁、腦電及腦磁等都是具有代表性的器官水平的電磁現(xiàn)象。另外,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚和蜜蜂體內(nèi)都有微量的鐵磁性物質(zhì)(Fe3O4),它們可能與這些動物特殊的辨別方向的能力相關(guān),在一些文獻(xiàn)中這些磁性粒子被稱為“磁性羅盤”,但有待進(jìn)一步研究證實(shí)。微生物中也存在著鐵磁性物質(zhì),圖3是一種磁性細(xì)菌的透射電鏡照片,在其軸線方向有一串直徑約50 nm的單磁疇Fe3O4顆粒,這些磁性顆粒使得這些細(xì)菌能對外加磁場方向的改變作出反應(yīng)。

圖3 磁性細(xì)菌體內(nèi)磁性顆粒

3 生物本征電磁特性的測量及應(yīng)用

為了利用電磁原理研究生命的信息或探討外界電磁場對生命的影響、調(diào)理和干預(yù),首先都必須揭示生物組織本身所具有的電磁特性。實(shí)際上,直至19世紀(jì)中葉的電磁學(xué)歷史可以說主要是生物電磁學(xué)史。大多數(shù)的電磁研究都與生物體有關(guān),并且很多高靈敏的測試儀器也是為了進(jìn)行生物電和磁檢測而發(fā)展起來的。

3.1 生物電(源)特性

1780年意大利科學(xué)家Galvani首先發(fā)現(xiàn)了生物電。19世紀(jì)上半葉馬泰烏奇發(fā)現(xiàn)一切收縮中的肌肉都可產(chǎn)生電流。1887年法國的沃勒記錄了歷史上第一張人類心電圖。1928年德國貝格爾記錄到腦電圖,自此對人體的電活動的研究進(jìn)入了高峰期,從而取得了一系列重要成果,且成功地應(yīng)用于臨床診療?，F(xiàn)在生物電性質(zhì)的研究主要集中在“逆電問題”方面,即指根據(jù)人體心電和腦電的測量結(jié)果(電位分布)來推斷相應(yīng)的組織活動過程。比如,根據(jù)體表電位計(jì)算出心外膜電位,進(jìn)而推斷心臟電源激動點(diǎn)狀態(tài);通過皮層成像技術(shù)(CIT)獲得頭皮電位分布然后映射出腦電活動的空間分布[5]。

3.2 生物磁(源)特性

既然生物電現(xiàn)象如此之多,根據(jù)電磁理論生物體內(nèi)必然存在諸多的生物磁特性。1962年鮑勒和麥克菲首次成功地利用梯度儀記錄了人體心臟磁場分布;科恩分別于1969年和1970年采用剛剛發(fā)明的超導(dǎo)量子干涉裝置(SQUID)記錄了心磁圖(MCG)和腦磁圖(MEG)。雖然心磁圖和腦磁圖的靈敏度和準(zhǔn)確度都較心電圖和腦電圖高,但是由于需要用到昂貴的SQUID裝置而影響了其發(fā)展。我們相信,隨著超導(dǎo)技術(shù)設(shè)備的進(jìn)步和發(fā)展,生物磁特性檢測必然像心電和腦電測量一樣獲得廣泛的應(yīng)用。

3.3 生命組織對電磁場響應(yīng)的特性

與所有材料一樣,生命體組織在外加電磁場的作用下也有相應(yīng)的反應(yīng),這些反應(yīng)的性能可用介電常數(shù)、電導(dǎo)率及磁化率等來表示。但與非生命體不同的是,生命體組織的這些特性都是不斷變化的,即不同組織在同一電磁場、同種組織在不同電磁場以及同種組織在不同生理和病理狀態(tài)下其電磁特性可能發(fā)生顯著差異的變化?？梢?這些參數(shù)對于定量研究生命體在場域的空間分布以及能量吸收、傳導(dǎo)非常重要,這也是生物電磁劑量學(xué)的基礎(chǔ)。因此,通過建立各種病理性變化引起的組織形態(tài)學(xué)改變與介電特性變化的關(guān)聯(lián),以及對不同生理和病理狀態(tài)下的介電特性進(jìn)行監(jiān)測分析,有望開發(fā)出用于早期檢測、療效評估的設(shè)備,例如現(xiàn)在熱點(diǎn)研究的介電阻抗成像。

4 外加電磁場在生命研究中的應(yīng)用

除了上述基于生命體源特性測量可以用于診斷監(jiān)測的心電/磁 、腦電/磁以外,在外加電磁場作用下生命體所做出的反應(yīng)信號也可用于生命體結(jié)構(gòu)和狀態(tài)信息的獲取,進(jìn)而用于診療和監(jiān)測。例如 X光成像、X-CT及MRI等。這些信息除極少數(shù)外都與生物電磁特性相關(guān)。

4.1 介電阻抗成像

介電阻抗成像是基于生命體介電特性的阻抗成像技術(shù)。這種成像技術(shù)不需要高能射線或核素,可多次測量,且成像速度快、分辨率高、不要求特殊工作環(huán)境及成本低廉,應(yīng)用前景非常廣闊。為達(dá)到生物組織電阻抗精確成像的目的,研究者們不斷嘗試各種成像手段進(jìn)行功能成像,其成像方法主要包括對樣本注入電流的電阻抗成像(EIT)、外加激勵(lì)磁場的磁感應(yīng)成像(MIT)和結(jié)合磁共振和電阻抗技術(shù)的磁共振電阻抗成像(MREIT)。

雖然電阻抗成像具有功能分辨特點(diǎn),但除磁聲成像外其他的電阻抗成像技術(shù)的空間分辨率都不高。磁感應(yīng)磁聲成像(MAT-MI)[6-7]是近期由美國明尼蘇達(dá)大學(xué)He Bin教授及其合作者提出的一種新型成像方法,它融合了磁感應(yīng)技術(shù)(MIT)和超聲斷層掃描成像技術(shù),兼具電阻抗成像高對比度和超聲斷層掃描技術(shù)高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)。該方法將目標(biāo)物體放在靜態(tài)磁場中,施加脈沖磁激勵(lì)使目標(biāo)物體中產(chǎn)生渦流,渦流在靜磁場作用下產(chǎn)生洛倫茲力,從而使目標(biāo)物體聲振動,通過對聲信號的采集重建物體電導(dǎo)率的分布。聲信號的采集對于重建電導(dǎo)率分布的精確性和清晰度十分重要,在仿真研究中,聲激勵(lì)源的產(chǎn)生和聲信號的傳播是MAT-MI問題研究的兩項(xiàng)主要內(nèi)容。

4.2 THz檢測與成像

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1～10 THz(波長為3000～30μm)范圍內(nèi)的電磁波,在長波段與毫米波相重合,在短波段與紅外光相重合,是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū),也是電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū),稱為電磁波譜的“太赫茲空隙(THz gap)”。許多生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率都處于 THz波段,所以利用THz波可以獲得豐富的生物及其材料信息。THz輻射能以很小的衰減穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料和塑料等物質(zhì),但是THz波不能穿透水和金屬,這阻礙了其在生物領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前THz波在生物醫(yī)藥中的研究僅局限于其生物學(xué)效應(yīng)、生物分子光譜和組織成像。圖4是運(yùn)用THz成像得到的離體乳腺癌組織的腫瘤圖案。

圖4 離體乳腺癌組織的腫瘤THz成像圖案與光學(xué)顯微病理照片

THz波瞬時(shí)帶寬很寬(0.1～10 THz),利于高速通訊。THz波的時(shí)域頻譜信噪比很高,使其非常適成像應(yīng)用。THz成像有被動和主動成像兩種類型裝置[8-9]。被動成像是非相干性的,而主動成像是相干性的。主動成像又有連續(xù)波和脈沖兩種形式。脈沖太赫茲波成像的基本原理是：透過成像樣品(或從樣品反射)的太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位包含了樣品復(fù)介電函數(shù)的空間分布信息。將透射太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位的二維信息記錄下來,并經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗头治?就能得到樣品的太赫茲圖像。連續(xù)波太赫茲成像的原理：連續(xù)波源提供比脈沖源更高的輻射強(qiáng)度,其實(shí)質(zhì)是一種強(qiáng)度成像。在對物體成像時(shí),根據(jù)物體內(nèi)部的缺陷或損傷的邊緣對太赫茲光的散射效應(yīng),從而會影響太赫茲波電磁場的強(qiáng)度分布,反映到物體的太赫茲波圖像上顯示為明暗即強(qiáng)度的不同,據(jù)此可推出物體內(nèi)部的形狀、缺陷或損傷位置。如果掃描的物體比較大而又只需要檢測缺陷或者透射性質(zhì),選擇連續(xù)波系統(tǒng)較好。但如果探測的物體比較精細(xì),要求系統(tǒng)有較高的分辨率并獲得物體的光譜信息,則需使用脈沖成像方法。

5 外界電磁場與生物體相互作用

人們在充分享受各種電器帶來的舒適和便捷時(shí),逐漸認(rèn)識到這些東西同時(shí)可能具有對人類潛在的危害。對于電磁波的危害性各國都有進(jìn)行流行病學(xué)調(diào)查和一些細(xì)胞、動物層次的生物醫(yī)學(xué)研究。在研究電磁場這一微弱因素的生物效應(yīng)時(shí),電磁場作用的弱效應(yīng)往往被“實(shí)驗(yàn)噪聲”和“生物噪聲”所掩蓋,再加上生物系統(tǒng)自身的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性,導(dǎo)致目前各研究小組之間研究結(jié)果的重復(fù)性差、可變性大[3]。

5.1 微波對健康危害

微波頻率位于300 MHz～30 GHz,它對人體的危害研究結(jié)果較多。目前研究人員認(rèn)為,誘導(dǎo)場是微波暴露的生物效應(yīng)的主要原因。然而流行病學(xué)研究結(jié)果至今都沒有關(guān)于接觸射頻會對健康造成不良影響的一致的或令人信服的證據(jù),另一方面,這些研究工作也存在諸多不足之處[10]。

手機(jī)電磁輻射是微波的一種,它對人體健康影響是這類研究中最主要的內(nèi)容。最受關(guān)注的疾病就是腦瘤,目前為止世界各國已經(jīng)有近20項(xiàng)大規(guī)模的流行病學(xué)研究結(jié)果。英國、美國、加拿大、意大利等國和許多國際醫(yī)療衛(wèi)生組織都先后發(fā)表了這方面的報(bào)告。

Rubin等[11]總結(jié)了其研究組涉及1175人的關(guān)于電磁超靈敏性的46項(xiàng)研究工作。作者指出這些研究未能證有人能夠在未知情況下重復(fù)地判斷其周圍是否存在電磁場,相反,作者說多次研究表明那些出現(xiàn)急性癥狀的情況可以很好地用反安慰劑效應(yīng)(編者注：安慰劑效應(yīng)(placebo effect)：指病人雖然獲得無效的治療,卻預(yù)料或相信治療有效,而讓病患癥狀得到舒緩的現(xiàn)象;反安慰劑效應(yīng)(nocebo effect)：病人不相信治療有效,可能會令病情惡化。)來解釋。

1997年美國國家癌癥研究所的報(bào)告稱,經(jīng)過七年對638名急性淋巴細(xì)胞白血病兒童患者和620名對照兒童的流行病學(xué)研究,沒有明確證據(jù)顯示電磁場與白血病之間有關(guān)聯(lián)。根據(jù)此報(bào)告美國能源部放棄了“電磁場研究與公眾信息傳播計(jì)劃”。不過為了大眾健康考慮,2010年4月22日歐洲五國啟動了為期30年的隊(duì)列研究,此項(xiàng)研究將至少連續(xù)跟蹤考察25萬人的手機(jī)使用情況與罹患各種主要疾病的關(guān)系,從而確定手機(jī)電磁輻射對人體的危害程度。

5.2 工頻電磁場對健康危害

2005年 Draper等報(bào)道[12]居住在輸電線200 m和200～600 m范圍內(nèi)的兒童患白血病的概率比普通兒童分別高70%和23%,據(jù)稱這些結(jié)果均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。筆者認(rèn)為200 m內(nèi)比600 m內(nèi)患病比例高出較大比例不大可能與磁場有關(guān),因?yàn)樵谡麄€(gè)范圍內(nèi)輸電線產(chǎn)生的磁場都遠(yuǎn)低于0.4μT。有人借用英國布里斯托大學(xué)研究結(jié)果[13]推測這可能與高壓線附近電場容易吸引帶電的氣溶膠污染物有關(guān)。2005年,加拿大政府表示公布報(bào)告稱通過對一些流行病學(xué)研究結(jié)果進(jìn)行匯總分析,居住在高壓輸電線附近兒童罹患白血病的風(fēng)險(xiǎn)增加兩倍[14]。

加拿大的學(xué)者最新研究發(fā)現(xiàn)電磁場還能引起血糖變化,使某些“電磁超敏感者”的血糖升高,稱為“3型”糖尿病[15]。研究發(fā)現(xiàn)敏感者戶外散步血糖下降,在跑步機(jī)上相同地走路卻使血糖升高。這說明跑步機(jī)發(fā)出的電磁波使血糖增高的效應(yīng)超過了在其上走路所消耗的體力引起的血糖下降。

低頻電磁場對人的認(rèn)知功能影響也有廣泛報(bào)道,但是由于研究手段的差異,各研究結(jié)果并不一致。最近對17項(xiàng)研究中符合條件的九項(xiàng)工作的薈萃分析[16]指出,50 Hz磁場作用下在兩個(gè)認(rèn)知水平檢測到較小但是較為明顯的效應(yīng)。對于高難度的視覺時(shí)程辨別,經(jīng)磁場輻射的樣本表現(xiàn)比對照樣本好;但在低級別的中等難度視覺辨別時(shí),被輻射過的樣本表現(xiàn)比對照組更糟糕。此外,還發(fā)現(xiàn)樣本經(jīng)隨意程度輻射時(shí)可明顯提高其正確反應(yīng)性。然而,由于每個(gè)行為尺度的研究數(shù)量較少,而且所得結(jié)果也不穩(wěn)定,因此需要格外小心的對待這個(gè)結(jié)果。作者認(rèn)為極低頻電磁場對人的認(rèn)知功能的影響有限。

以往工頻(50 Hz,60 Hz)電磁場生物效應(yīng)研究主要集中在磁場效應(yīng)方面,發(fā)現(xiàn)磁場對遺傳、細(xì)胞生長和凋亡、免疫等方面都有某些影響。有關(guān)工頻電場的危害性研究不多,最近 Kheifets的評論[17]總結(jié)了這方面工作后認(rèn)為沒有證據(jù)顯示低頻電場具有明顯生物效應(yīng),而那些零星的表明長期接觸電場會導(dǎo)致患癌癥風(fēng)險(xiǎn)加大的有關(guān)職業(yè)研究都存在諸多的方法學(xué)問題。她的結(jié)論是已經(jīng)不必再進(jìn)行類似研究了,不過這一觀點(diǎn)立刻招來了其他研究者的質(zhì)疑[18-19]。

5.3 THz波的危害性

以往關(guān)于非電離輻射對生物的危害的研究所涉及的頻率都低于0.01 THz,功率密度低于1 mW/cm2。對于THz波可能的危害性研究甚少。2004年結(jié)束的“THz-bridge”國際研究項(xiàng)目的結(jié)論是：在某些特定照射條件下,脂質(zhì)體細(xì)胞膜的通透性會發(fā)生變化,也可對淋巴細(xì)胞產(chǎn)生基因毒性。但是對什么條件下會產(chǎn)生這些危害性尚未搞清楚。電磁效應(yīng)普遍具有累積效應(yīng),2008年有報(bào)道稱經(jīng)6 h THz照射引起淋巴細(xì)胞的基因不穩(wěn)定性[20]。有報(bào)道稱[21]體外神經(jīng)細(xì)胞經(jīng)30 mW/cm2THz波照射后,細(xì)胞膜和膜內(nèi)結(jié)構(gòu)遭到破壞,但是在低功率密度和其他頻率時(shí)未發(fā)現(xiàn)類似破壞作用。最近,有人進(jìn)一步指出,暴露于低水平太赫茲輻射可干擾蛋白質(zhì)識別過程[22]。研究還表明,小鼠暴露于3.6 THz的高功率(15 mW/cm2)輻射30 min,造成行為變化[23],在短時(shí)間(5 min)暴露卻檢測不到明顯變化。因此,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有力地表明,太赫茲輻射可影響生理功能,但只在特定條件下,即在高功率、長時(shí)間和特定頻率。美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室最新實(shí)驗(yàn)和理論研究表明THz波在一定條件下可以使DNA的雙螺旋產(chǎn)生缺陷從而導(dǎo)致基因毒性[24]。理論分析認(rèn)為太赫茲輻射主要是通過共振影響雙鏈DNA系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性,但是當(dāng)存在顯著的波動時(shí)也可能引起非線性不穩(wěn)定性,尤其是當(dāng)輻射功率很小時(shí)。在生物系統(tǒng)中,這樣的波動往往是由熱引起的,由于產(chǎn)生一個(gè)足夠大振幅的波動的幾率是非常小的,所以只有在長時(shí)間照射才有可能通過非線性不穩(wěn)定性而產(chǎn)生 THz波效應(yīng)。就此而言,THz波效應(yīng)具有一定的隨機(jī)性。

5.4 電磁波對生命的調(diào)理與干預(yù)

外加電磁場對生命體可能存在著一定的危害,但我們也可以利用外加電磁場對某些疾病進(jìn)行干預(yù),達(dá)到輔助治療甚至治療的作用。

5.4.1 電場的應(yīng)用

2006年英國阿伯丁大學(xué)的 Zhao和同事確定出了使細(xì)胞對電做出應(yīng)答(趨電性)的基因[25]。這一發(fā)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。這項(xiàng)研究第一次從遺傳學(xué)角度證實(shí)電場在引導(dǎo)細(xì)胞愈合傷口過程中起到一定作用,它將會有助于研究人員研制利用電場刺激傷口愈合的治療方法。比如,傷口不易愈合是糖尿病患者常見的并發(fā)癥,最近對糖尿病大鼠的研究發(fā)現(xiàn),35 mm的椎旁全層皮膚切口在每天一小時(shí)磁場(20 Hz,4 ms,8 mT)照射下愈合速度明顯加快,且愈合強(qiáng)度也較對照組顯著提高[26]。

進(jìn)入21世紀(jì)后交流、脈沖電場治療腫瘤的研究有大量報(bào)道,甚至得到了FDA(美國食品和藥物管理局)的關(guān)注和初步認(rèn)可。以色列 Yoram Palti教授[27]利用100 kHz頻率的交流電治療已經(jīng)經(jīng)過手術(shù)、放療、化療治療而無效的腦膠質(zhì)瘤患者,八個(gè)月后腫瘤完全消失。他們提出的解釋是基于電場在增殖中的細(xì)胞和正常細(xì)胞中電場分布不同。如圖5所示,正常細(xì)胞呈圓形,由脂質(zhì)雙層構(gòu)成的細(xì)胞膜在此頻率附近具有較高阻抗,電場在細(xì)胞內(nèi)的分布很均勻且很弱。但是分裂中的細(xì)胞頸部電場被聚焦增強(qiáng),這種非均勻電場撕裂重要的生物分子如DNA和結(jié)構(gòu)蛋白,對細(xì)胞分裂造成十分嚴(yán)重的破壞。

圖5 電場治療腫瘤的機(jī)理及治療裝置實(shí)物圖

另外一類電刺激治療稱為電穿孔(electroporation)。利用微秒級強(qiáng)電脈沖(幾 kV/cm)作用于細(xì)胞后,細(xì)胞的脂質(zhì)雙層膜被暫時(shí)重新排列形成了一些被稱為微孔的親水性通道,當(dāng)脈沖電場取消后,微孔會自行關(guān)閉而不會對細(xì)胞造成任何影響。產(chǎn)生電穿孔現(xiàn)象后,其通透性激增,從而有利于細(xì)胞吸收各種藥物分子、基因物質(zhì)、蛋白質(zhì)和其他大分子等。另外研究發(fā)現(xiàn)這種脈沖刺激本身在無藥物情況下就可能引起腫瘤細(xì)胞凋亡。最近研究[28]表明納秒級強(qiáng)電脈沖可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡,這種短脈沖雖然沒有像微秒脈沖那樣引起細(xì)胞膜不可逆穿孔,但是多細(xì)胞模型研究表明納秒脈沖作用后細(xì)胞膜產(chǎn)生了大量納米級的孔洞,而且組織的電導(dǎo)甚至比不可逆電穿孔時(shí)還要高。但是這種孔洞只對較小的離子的通透性有促進(jìn)作用,對大分子沒有明顯影響,Weaver稱此為“supra-electroporation”,也有人稱之為細(xì)胞內(nèi)電處理效應(yīng)(intracellular electromanipulation)。

5.4.2 磁場的應(yīng)用

經(jīng)顱磁刺激(TMS)是磁場用于生命體干預(yù)中最成功的應(yīng)用之一,這一非接觸治療方法經(jīng)過幾十年基礎(chǔ)研究和10余年的臨床研究后于2008年正式通過了美國FDA的批準(zhǔn),可以用于治療經(jīng)藥物治療無效或化學(xué)藥物會產(chǎn)生副作用的抑郁癥患者。這是為數(shù)不多的可以確證的生物磁效應(yīng)之一。由線圈產(chǎn)生的磁脈沖聚焦于大腦控制情緒的前額葉皮層,磁場穿透腦部深度約2～3 cm并激發(fā)電流,這種電流激活腦部細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì),從而起到調(diào)節(jié)情緒的作用。由于抑郁癥被認(rèn)為是由大腦中的化學(xué)物質(zhì)不平衡造成的,TMS可以幫助恢復(fù)平衡,減輕抑郁癥的癥狀。

圖6 磁刺激示意圖

磁生物效應(yīng)用于疾病治療的報(bào)道以極低頻弱磁場(EL F-MF)為主,這方面的報(bào)道以細(xì)胞或動物模型居多,臨床基礎(chǔ)薄弱。據(jù)報(bào)道旋轉(zhuǎn)磁場、極低頻脈沖磁場等可影響腫瘤,認(rèn)為磁場對腫瘤細(xì)胞有一定抑制作用,對荷瘤小鼠免疫功能也可以起到一定調(diào)節(jié)作用。我們最近發(fā)現(xiàn)極低頻旋轉(zhuǎn)磁場(0.4 T,7.5 Hz)作用下,BGC-823,M KN-28,A549和LOVO等腫瘤細(xì)胞的增殖得到顯著的抑制,而對M KN-45和SPC細(xì)胞株的增殖抑制作用不明顯,而且這種抑制作用在轉(zhuǎn)染了腫瘤相關(guān)抗原Midkine后得到部分改變。同時(shí)值得注意的是,電磁場與化學(xué)物質(zhì)的聯(lián)合作用,或者電磁場對化學(xué)物質(zhì)致病作用的調(diào)節(jié)。最近[29]有報(bào)道4.5 mT～120 Hz磁場作用可以抑制細(xì)胞增殖從而降低化學(xué)因素引起的癌前病變。

磁性靶向治療也是磁場應(yīng)用的一種形式,它主要是通過磁場效應(yīng)將磁性藥物靶向運(yùn)輸?shù)侥康钠鞴?其中并不涉及磁場的生物學(xué)效應(yīng),屬于磁場的物理學(xué)效應(yīng)。磁性顆粒的熱療也屬此范疇。

5.5 電磁場在生物領(lǐng)域其他應(yīng)用

國內(nèi)在亞磁/零磁環(huán)境進(jìn)行了初步的作物誘變育種研究,在近零磁環(huán)境處理的農(nóng)作物種子出現(xiàn)了不同程度的變異。虞秋成等[30]利用零磁環(huán)境誘變水稻干種子,發(fā)現(xiàn)當(dāng)代細(xì)胞染色體畸變頻率提高,染色體橋和微核畸變增加;零磁環(huán)境對當(dāng)代發(fā)芽率、成苗率、苗高和分蘗有促進(jìn)生長作用;M2(編者注：M2指細(xì)胞周期中細(xì)胞分裂期的中期)變異類型豐富,早熟類型突變頻率相對較高,而育性分離較大,提示零磁環(huán)境誘變處理在水稻品種改良方面很有前途。微波或微波與電離輻射的復(fù)合誘變方面也有少量報(bào)道。選擇乳酸飲料作為樣品,從中篩選出能產(chǎn)γ-氨基丁酸的乳酸乳球菌乳酸亞種,對該出發(fā)菌株進(jìn)行微波誘變(700 W,脈沖頻率2450 M Hz)處理,得到1株突變菌株,γ-氨基丁酸產(chǎn)量由2.11 g/L增加到5.78 g/L,經(jīng)過多次傳代穩(wěn)定性較好[31]。對麥麩發(fā)酵培養(yǎng)基培養(yǎng)的纖維素酶產(chǎn)生菌進(jìn)行微波和紫外線復(fù)合誘變,7株突變株中的5株的纖維素酶活性明顯增強(qiáng),九次傳代穩(wěn)定性良好。分子生物學(xué)研究表明可能是由堿基突變引起EG I蛋白部分氨基酸突變導(dǎo)致纖維素酶的產(chǎn)量提高[32]。

6 總結(jié)與展望

生物系統(tǒng)非常復(fù)雜,生命科學(xué)要探索的問題很多。具體到生物電磁學(xué),它正處于實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)積累階段,還未形成基礎(chǔ)理論甚至實(shí)驗(yàn)結(jié)果都存在疑問。鑒于這種狀況,今后在生物電磁學(xué)研究中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

(1)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性和研究方法的科學(xué)性：一般說來電磁生物效應(yīng)特別是非熱效應(yīng)比較弱,因此,對實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、方法的選擇和條件的控制都要十分謹(jǐn)慎,否則容易得到片面甚至錯(cuò)誤的結(jié)果,以致干擾或誤導(dǎo)該領(lǐng)域的發(fā)展方向和持續(xù)發(fā)展。

(2)深入廣泛進(jìn)行重大性疾病和流行病學(xué)研究：基于生物電磁學(xué)的復(fù)雜性,建議繼續(xù)深入進(jìn)行相關(guān)重大疾病和流行病學(xué)的研究,從宏觀角度確認(rèn)電磁效應(yīng)對生物體的影響,以便為保證人類健康服務(wù),并為基礎(chǔ)理論研究開創(chuàng)新方向。

(3)重視機(jī)理的研究：目前之所以對電磁生物效應(yīng)的存在與否不能定論,其中主要原因之一就是缺少對電磁效應(yīng)機(jī)制的了解,很多現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)都因?yàn)槿狈侠淼慕忉尪钊舜嬉伞C(jī)理研究中特別應(yīng)該注重從物理學(xué)角度思考生物學(xué)問題。規(guī)范化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕C(jī)理研究的意義尤為重要,同時(shí)借鑒數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)及生命科學(xué)等領(lǐng)域的新理論新方法,實(shí)現(xiàn)生物電磁機(jī)理研究的重大突破。

(4)規(guī)范電磁的劑量學(xué)：電磁劑量學(xué)是生物學(xué)效應(yīng)的研究基礎(chǔ),以往研究結(jié)果很分散的原因之一是實(shí)驗(yàn)中電磁輻射的計(jì)量不統(tǒng)一和不規(guī)范,以致不同研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺少可比性。

(5)注重多學(xué)科交叉：生物電磁學(xué)涉及的內(nèi)容十分廣泛,要獲得生物電磁學(xué)領(lǐng)域的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,生物醫(yī)學(xué)、物理及工程等領(lǐng)域研究人員缺一不可,且需要長期的通力合作、相互交流、人才團(tuán)隊(duì)的建立及相關(guān)部門的大力支持。

(2010年7月27日收到)

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(責(zé)任編輯：溫文)

Overview of Electromagnetic Properties of Life and Electromagnetic Biological Effects and Their Latest Progress

HAN Yu-wang①,HOU Ya-yi②,DU You-wei③
①Associate Professor,College of Science,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China;②Professor,College of Medicine,Nanjing University,Nanjing 210093,China;③CAS Member,Department of Physics,Nanjing University,Nanjing 210093,China

In this review,the concept of bioelectromagnetism was briefly introduced.Electromagnetic source characteristics of biological system,bio-electromagnetic measurement and its applications,and the regulation/intervention for life are described respectively.Electrical impedance imaging,terahertz(THz)wave imaging,electrical pulse treatment and the latest research in the magnetic field intervention for life are reviewed in detail.

electromagnetic field,electromagnetic properties of life,electromagnetic biological effects of electromagnetic field,bio-electromagnetic measurement,electromagnetic intervention

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.06.003