利用模式生物研究毫米波及微波輻射生物效應及醫(yī)學防護.pdf

1、隨著電磁技術迅速發(fā)展和廣泛應用,各種電磁場在生產生活中無處不在。在軍事領域,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用和不斷更新?lián)Q代,已經成為各國軍事防御和新時期現代化戰(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

2、備(如手機、微波爐等)的廣泛應用所伴隨的健康危害及防護仍是電磁生物學尚未解決的科學問題。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模型,系統(tǒng)地評價毫米波和微波的生物效應,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衛(wèi)

3、生防護標準提供依據,為電磁生物效應的機制闡明奠定基礎,為電磁防護候選藥物的篩選提供技術支撐。主要研究結果如下:
　　一、8mm高功率毫米波的生物效應和機制研究
　　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、損傷機制以及動物拒止效應的閾值參數,為我軍高功率毫米波武器的研制提供重要的依據和參考。
　　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)生物效應實驗參數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避效應的量效關系和敏感參數;③建立可靠的半定量病理學評價體系,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

5、系;④進一步利用模式生物秀麗線蟲對毫米波生物效應的機制進行揭示。
　　結果:①經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將能量集中在水平2.5cm直徑、焦點附近垂直±6cm范圍內,且能量分布比較均勻。②建立了動物逃逸

6、行為評價裝置,實現了對大鼠逃逸反應的強度和時間的精確量化。分析發(fā)現,大鼠逃逸發(fā)生的潛伏時間與輻照輸出功率之間呈指數下降關系,輸出平均功率越大,逃逸出現的潛伏時間越短。毫米波輻射導致大鼠輻照區(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導致大鼠逃逸。③各組動物均出現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的毫米波輻照可導致線蟲出現逃逸反應,線蟲的逃逸反應與感知到傷害性熱刺激相關。輸出平均功率為1.52W的MMW輻照秀麗線蟲2-5min可致線

8、蟲出現明顯的損傷效應,表現為生長發(fā)育減慢,產卵數量降低,生殖細胞分化成熟障礙,未成熟卵母細胞出現腫瘤樣堆積,生殖腺凋亡細胞增多,熱應激蛋白HSP16.2蛋白表達上調。輻照組線蟲的上述損傷與42℃熱應激損傷后的表現非常相似。
　　結論:①高功率毫米波輸出場能量的分布形式與輸出天線參數密切相關,點聚焦透鏡天線更適合于毫米波驅避效應以及生物效應的研究,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出現逃逸反應,輸出功率越大,動物

9、逃逸出現的潛伏時間越短。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。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輻照的生物效應非常敏感,MMW對于秀麗線蟲的行為學影響以及生物損傷機制以熱效應為主,線蟲是一種評價電磁效應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細胞能量代謝的影響,旨在為制定高功率微波照射相關衛(wèi)生防護標準提供依據。
　　方法:出生后12h內Wistar大鼠乳鼠皮層神經細胞常規(guī)培養(yǎng)7d后,進行HPM照射。采用細胞內ATP酶活性測定法,檢測HPM對原代培養(yǎng)神經細胞總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。
　　結果:原代培養(yǎng)神經細胞經平均功率密度5mW/cm2的HPM連續(xù)照射6min后,同一時間點內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。
　　結論:平均功率密度為5mW/cm2的HPM照射6min對原代神經細胞的活性無顯著影響,提示就神經細胞活性而言,該輻射參數的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、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,在此基礎上利用高通量測序技術從轉錄組水平篩選電磁輻照相關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。高通量測序結果顯示,線蟲發(fā)育及形態(tài)相關基因明顯上調,其中包括表皮膠原相關dpy基因家族的表達顯著上調。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,可有效地逆轉電磁輻射對于線蟲的生物效應。
　　結論: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dpy基因家族的表達上調與電磁輻照加速線蟲生長發(fā)育有著直接或間接的關系。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研究的理想動物模型,可用于研究電磁輻射的生物效應與醫(yī)學防護。
　　綜上所述,本研究對毫米波和微波生物效應的研究結果表明:8mm毫米波具