利用模式生物研究毫米波及微波輻射生物效應(yīng)及醫(yī)學(xué)防護.pdf

1、隨著電磁技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,各種電磁場在生產(chǎn)生活中無處不在。在軍事領(lǐng)域,高功率微波(high power microwave,HPM)武器、高功率毫米波(high power millimeter wave,HPMMW)武器、激光武器等新概念武器的應(yīng)用和不斷更新?lián)Q代,已經(jīng)成為各國軍事防御和新時期現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的重要手段。美軍高功率毫米波主動拒止武器在國際戰(zhàn)爭中的率先使用,給我國新概念武器的研發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)。高功率微波武器以及民用電磁設(shè)

2、備(如手機、微波爐等)的廣泛應(yīng)用所伴隨的健康危害及防護仍是電磁生物學(xué)尚未解決的科學(xué)問題。為此,本研究以8mm高功率毫米波(35GHz)、S波段高功率微波(2.856GHz)以及民用L波段微波(1.75GHz)為研究對象,分別利用大鼠、小鼠、原代培養(yǎng)細胞以及秀麗線蟲等實驗?zāi)Ｐ?系統(tǒng)地評價毫米波和微波的生物效應(yīng),揭示其損傷機制,并初步建立了電磁輻射防護藥物篩選體系。本研究為我軍毫米波新概念武器的研發(fā)提供重要的參考,為制定高功率微波照射相關(guān)衛(wèi)

3、生防護標準提供依據(jù),為電磁生物效應(yīng)的機制闡明奠定基礎(chǔ),為電磁防護候選藥物的篩選提供技術(shù)支撐。主要研究結(jié)果如下:
　　一、8mm高功率毫米波的生物效應(yīng)和機制研究
　　目的:以大鼠、小鼠、秀麗線蟲為模型,深入探討高功率毫米波生物損傷效應(yīng)、損傷機制以及動物拒止效應(yīng)的閾值參數(shù),為我軍高功率毫米波武器的研制提供重要的依據(jù)和參考。
　　方法:在建立可有效模擬高功率毫米波主動拒止武器微波源項的基礎(chǔ)上,①利用生物材料(新鮮豬皮組織)建

4、立毫米波空間場強分布測定的生物劑量學(xué)方法體系,使用Matlab軟件對輻照過程中不同層面生物材料表面的紅外熱像分布圖進行三維重建,獲得角錐喇叭天線(共有4種)和點聚焦透鏡天線輸出毫米波的空間場強分布特征,為后續(xù)生物效應(yīng)實驗參數(shù)的選擇提供了重要的參考;②通過建立大鼠的逃逸行為評價體系,明確了毫米波致動物驅(qū)避效應(yīng)的量效關(guān)系和敏感參數(shù);③建立可靠的半定量病理學(xué)評價體系,以毫米波損傷的直接靶點皮膚入手,明確了高功率毫米波對于皮膚的損傷特征和量效關(guān)

5、系;④進一步利用模式生物秀麗線蟲對毫米波生物效應(yīng)的機制進行揭示。
　　結(jié)果:①經(jīng)角錐喇叭天線輸出后,毫米波(millimeter wave,MMW)在近場區(qū)域的空間場強分布十分復(fù)雜,角錐喇叭天線在電磁輻照空間形成的能量分布形式各異,場強隨輻照距離增加而減弱,口徑相同的角錐喇叭天線,高增益天線的輸出場強較低增益天線更高。點聚焦透鏡天線能夠?qū)⒛芰考性谒?.5cm直徑、焦點附近垂直±6cm范圍內(nèi),且能量分布比較均勻。②建立了動物逃逸

6、行為評價裝置,實現(xiàn)了對大鼠逃逸反應(yīng)的強度和時間的精確量化。分析發(fā)現(xiàn),大鼠逃逸發(fā)生的潛伏時間與輻照輸出功率之間呈指數(shù)下降關(guān)系,輸出平均功率越大,逃逸出現(xiàn)的潛伏時間越短。毫米波輻射導(dǎo)致大鼠輻照區(qū)域表皮迅速溫升,當溫度達到熱疼痛閾值(43～45℃)時發(fā)生逃逸,點聚焦透鏡天線最短可在3.25s導(dǎo)致大鼠逃逸。③各組動物均出現(xiàn)不同程度的皮膚損傷,其中角錐喇叭天線HD-320HA24.12照射組小鼠存活時間較長,皮膚表現(xiàn)為慢性損傷,真皮膠原纖維密度降

7、低、消失,皮下脂肪層變薄甚至消失,肌細胞排列稀疏等。角錐喇叭天線HD-320HA23.16組小鼠存活時間最短,皮膚表現(xiàn)為急性損傷,真皮層膠原纖維密度增加、甚至無間隙、肌細胞排列稀疏等。角錐喇叭喇叭天線HD-320HA9.49和HD-320HA9.92的損傷形式與急性損傷類似。④輸出平均功率為0.75W的毫米波輻照可導(dǎo)致線蟲出現(xiàn)逃逸反應(yīng),線蟲的逃逸反應(yīng)與感知到傷害性熱刺激相關(guān)。輸出平均功率為1.52W的MMW輻照秀麗線蟲2-5min可致線

8、蟲出現(xiàn)明顯的損傷效應(yīng),表現(xiàn)為生長發(fā)育減慢,產(chǎn)卵數(shù)量降低,生殖細胞分化成熟障礙,未成熟卵母細胞出現(xiàn)腫瘤樣堆積,生殖腺凋亡細胞增多,熱應(yīng)激蛋白HSP16.2蛋白表達上調(diào)。輻照組線蟲的上述損傷與42℃熱應(yīng)激損傷后的表現(xiàn)非常相似。
　　結(jié)論:①高功率毫米波輸出場能量的分布形式與輸出天線參數(shù)密切相關(guān),點聚焦透鏡天線更適合于毫米波驅(qū)避效應(yīng)以及生物效應(yīng)的研究,但缺點是作用區(qū)域較小。②點聚焦透鏡天線可致大鼠短時間內(nèi)出現(xiàn)逃逸反應(yīng),輸出功率越大,動物

9、逃逸出現(xiàn)的潛伏時間越短。③高功率毫米波造成的皮膚損傷可至小鼠皮下深層組織,各組肌肉層的損傷程度基本相同,真皮層的損傷形式與MMW的作用強度和時間有關(guān)。真皮層纖維組織及皮下肌細胞的密度和分布形式可作為評價皮膚損傷程度的指標。④秀麗線蟲對于MMW輻照的生物效應(yīng)非常敏感,MMW對于秀麗線蟲的行為學(xué)影響以及生物損傷機制以熱效應(yīng)為主,線蟲是一種評價電磁效應(yīng)及深入研究損傷機制的理想模式生物。
　　二、S波段高功率微波對原代培養(yǎng)神經(jīng)元活性的影響

10、
　　目的:以平均功率密度5mW/cm2的S波段微波為研究對象,評價該劑量微波照射對于神經(jīng)細胞能量代謝的影響,旨在為制定高功率微波照射相關(guān)衛(wèi)生防護標準提供依據(jù)。
　　方法:出生后12h內(nèi)Wistar大鼠乳鼠皮層神經(jīng)細胞常規(guī)培養(yǎng)7d后,進行HPM照射。采用細胞內(nèi)ATP酶活性測定法,檢測HPM對原代培養(yǎng)神經(jīng)細胞總ATP酶、鈣鎂ATP酶和鈉鉀ATP酶活性的影響,并用MTT法檢測照射后細胞琥珀酸脫氫酶(SDH)活性的變化,觀察時間點

11、分別為為HPM照射后1h、6h、1d、3d、7d。
　　結(jié)果:原代培養(yǎng)神經(jīng)細胞經(jīng)平均功率密度5mW/cm2的HPM連續(xù)照射6min后,同一時間點內(nèi)HPM照射組和對照組之間細胞SDH活性和各ATP酶活性均無顯著差異。
　　結(jié)論:平均功率密度為5mW/cm2的HPM照射6min對原代神經(jīng)細胞的活性無顯著影響,提示就神經(jīng)細胞活性而言,該輻射參數(shù)的HPM輻射6min是安全的。
　　三、利用模式生物秀麗線蟲評價L波段微波輻射生物

12、效應(yīng)、機制及防護的研究
　　目的:以秀麗線蟲為研究對象,系統(tǒng)地評價L波段電磁輻射對線蟲的生物損傷效應(yīng)和機制,并利用秀麗線蟲在藥物篩選方面的優(yōu)勢,建立便捷有效的電磁防護藥物初篩體系。
　　方法:建立秀麗線蟲的電磁輻照體系,從生長、發(fā)育等方面詳細排查電磁輻照對于秀麗線蟲的敏感生物指標,在此基礎(chǔ)上利用高通量測序技術(shù)從轉(zhuǎn)錄組水平篩選電磁輻照相關(guān)的線蟲差異表達基因,明確電磁輻照的敏感靶點;進一步,利用秀麗線蟲建立輻射防護藥物篩選體系,

13、從若干種多糖類化合物中篩選具有電磁防護潛能的化合物。
　　結(jié)果:1.75GHz和0.9GHz電磁輻照均顯著加速了線蟲的生長發(fā)育。高通量測序結(jié)果顯示,線蟲發(fā)育及形態(tài)相關(guān)基因明顯上調(diào),其中包括表皮膠原相關(guān)dpy基因家族的表達顯著上調(diào)。利用秀麗線蟲建立了電磁防護藥物篩選體系,從11種多糖類化合物(二所黃榮清教授提供)中初步篩選出知母多糖和枸杞多糖兩種有效的候選藥物,可有效地逆轉(zhuǎn)電磁輻射對于線蟲的生物效應(yīng)。
　　結(jié)論:持續(xù)性L波段電

14、磁輻射影響了線蟲的生長發(fā)育,線蟲表皮膠原合成相關(guān)dpy基因家族的表達上調(diào)與電磁輻照加速線蟲生長發(fā)育有著直接或間接的關(guān)系。本研究所建立的電磁防護藥物篩選體系具有周期短、通量高、成本低、有效、便捷的優(yōu)勢,為在高等動物水平進行電磁防護藥物的篩選縮短了研究周期,節(jié)約了成本。由此可見,秀麗線蟲是進行電磁生物學(xué)研究的理想動物模型,可用于研究電磁輻射的生物效應(yīng)與醫(yī)學(xué)防護。
　　綜上所述,本研究對毫米波和微波生物效應(yīng)的研究結(jié)果表明:8mm毫米波具