电磁波的生物学窗效应_牛中奇

文章编号:0258-8021(2003)-02-126-07

电磁波的生物学窗效应

牛中奇1

, 侯建强1

, 王海彬1

, 张 辉2

, 阎 静1

,

卢智远1, 郭国桢3, 王春梅3, 林 海3

(1.西安电子科技大学,西安710071;2.西北工业大学,西安710072;3.第四军医大学,西安710032) 摘 要: 本文分别以人的肝癌细胞和动物脑组织为生物学对象,以荧光标记和同位素示踪为实验方法,以激光扫描共聚焦显微镜和液体闪烁计数器为检测仪器,以荧光强度和放射性强度为检测Ca 2+量的特征指标,进行了电磁波生物学非热效应的典型代表

电磁波生物学窗效应的实验研究。两种实验均表明了电磁波生物学频率窗

效应和强度窗效应的存在且有相同的窗频率。基于本文的实验研究并结合其他文献的结果,可发现电磁波生物学窗效应具有以下基本特征:(1)不同生物组织都会在15~16Hz 左右存在一个频率窗;(2)生物学窗效应既可由

ELF (极低频)正弦(调制波)振幅调制的高频电磁波(载波)产生,又可由EL F 连续波或EL F 脉冲波产生,只是前者的频率窗只体现在调制波频率上而不体现在载波频率上,而且,前者的窗效应频率与后者的窗效应频率是相同的;(3)频率窗分布的一般规律为f n =(2n +1)f c ,式中,n =0,1,2,,f n 为第n 个窗频率,f c 为基频即最低的那个窗频率。实验研究还表明,这一分布规律在0~135Hz 范围内是正确的,且基频f c U 15~16Hz;(4)只有特定频率参数与特定强度参数恰当组合的电磁波才能产生生物学窗效应,或者说,窗效应是电磁波频率和强度的二元函数。

关键词: 电磁波;生物学窗效应;频率窗效应;强度窗效应;频率窗分布规律中图分类号: R318.04

文献标识码:A

0 引言

生物学系统(生物大分子、细胞、组织、器官、生物体等)对电磁波(场)所产生的与生命现象(生理、生化、结构、功能等)有关的响应称为电磁波的生物学效应。通常,可将其分为热效应和非热效应。所谓电磁波的生物学热效应,是指由进入生物系统内的电磁波转变来的焦耳热导致的温度变化所引起的生物学效应;所谓电磁波的生物学非热效应,是指与温度变化无关的、由进入生物系统的电磁波直接引起的生物学效应。生物学热效应的直接能源是电磁能量转化来的焦耳热,而生物学非热效应的能源是生物系统自身的新陈代谢能,外界的电磁波仅起触发作用。窗效应是电磁波生物学非热效应的典型代表,窗效应又分为频率窗和强度(或功率密度)窗效应。前者指在某一频段内,只有某些个离散的、频率区间极窄的电磁波才能产生的生物学效应,后者指在某一功率密度范围内,只有某些个离散的、功率密度区间极窄的电磁波才能产生的生物学效应。

目前,在电磁波生物学效应的研究中,各研究者采用不同频率、不同波形、不同强度的电磁波作用于不同的生物对象,检测不同的生物指标,得到了一些有价值的结果,例如[1]

,电磁波作用使酶的活性降低;高功率密度(>10mW/cm 2)电磁波照射可使离体培养的哺乳动物体细胞生长率下降30%,可使10%的细胞发生形态学变化;高功率密度电磁波照射可影响昆虫蛹的发育,表现为25%的蛹内幼虫死亡,50%的蛹内幼虫发育异常;脉冲电磁波照射可使大鼠的脑电图出现不同频谱的峰值,这种峰值周期性的增大和减小;电磁波照射可导致狗的血液中肾上腺皮质激素含量增长100%到150%,血清中钾含量下降5%到10%,而钠含量却增加5%到10%;电磁波照射可使大鼠的红细胞总数和血色素浓度增高而白细胞总数减少,出现嗜中性白细胞增多症和淋巴细胞减少症;微波照射可引起家兔的白内障;脉冲调制微波可引起动物及人的听觉效应等,这些结果已被普遍认可,且认为是电磁波的生物学热效应所致。关于电磁波的生物学非热效应研究,也有若干报道[2~4]

,但总体看来,非热效应研究中还有以下基本问题需进一步探讨:(1)电磁波作用于不同的生物靶部位和不同的生物结构层次有无共同点(比如,在组织水平上与在细胞水平上产生的频率窗和强度窗是否相同);(2)同一生物靶目标的各频率窗和强度窗之间是否存在有规律可循的关系,即是否存在递推关系(比如,较高的窗频率与最低的基频间是否存在整数倍的关系);(3)在公认电磁波生物学非热效应确实存在的前提

第22卷第2期2003年4月

中国生物医学工程学报

CH INESE JOURNAL OF BIOMEDICAL ENGINEERING

Vo l.22N o.2Apr il 2003

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30170240);陕西省自然科学基金资助项目(2001X01)收稿日期:2001-09-12;修回日期:2002-03-04

下,不同研究者对电磁波生物学/非热效应0基本概念的理解和对/非热效应0的判别标准并不一致(比如,有的以功率密度的大小作为判别标准,有的以效应的固有特性作为判别标准)。基于上述考虑,本文在电磁波的生物学非热效应的典型代表窗效应领域开展了研究,为了探索电磁波作用于不同的生物结构层次有无共同点,本文先后分别以人体肝癌细胞和鸡脑组织为对象,利用同一电磁波照射系统进行了实验研究。应说明的是,后一实验虽有相同的文献报道[2,3],但本文的目标之一还在于寻找不同生物结构层次在效应方面有无共同点,因而必须用与前者同样的电磁波照射系统重新进行后一实验;另外,本文阐述了对电磁波生物学/非热效应0基本概念的理解和对/0,以期使该领域的研究建立在共同的理论基础之上。

1 ELF 脉冲电磁波在人体肝癌细胞胞浆Ca 2+浓度上显示出的窗效应

ELF(extremely low frequency,极低频)脉冲电磁波在人体肝癌细胞胞浆Ca 2+

浓度上的窗效应研究的基本步骤是:制备细胞样品,对细胞样品进行荧光负载,用D -H ank c s 液洗涤。将每一样品在激光扫描共聚焦显微镜下进行荧光强度检测,以获得对照组数据;之后将这些样品放在电磁波照射系统中接受ELF 电磁波辐照,并再次将每一样品在激光扫描共聚焦显微镜下进行荧光强度检测,以获得照射组数据;然后,对两组数据进行统计处理,以检验该参数电磁波是否会产生生物学效应;最后,通过对各参数电磁波产生或不产生生物学效应的总体分析,寻找出哪些参数电磁波会产生生物学窗效应。下面对各步骤进行分述。

细胞样品的制备:取对数生长期人体肝癌7721细胞株,经胰蛋白酶消化制成单层悬液,当其成活率达95%以上时,接种于培养皿中,加含有10%小牛血清的1640培养液,置于37e 、含CO 25%的培养箱中孵育24h 。

细胞的荧光负载:荧光负载的目的在于把难于直接测量的细胞胞浆游离钙离子浓度变为较易测量的钙离子荧光强度,通过荧光强度来反映胞浆(游离)钙浓度。采用的荧光探针(试剂)为Fluo -3。负载的方法是:先在Fluo -3中加入亲脂的AM (Acetoxy methyl Esters,乙酰羟甲基脂),使其成为AM 衍生物Fluo -3/AM ,将其加入到细胞样品中。用荧光强度描述胞浆钙浓度的原理是:当把AM 衍生物形式的荧光试剂与活细胞一起孵育时,它可透过细胞膜进入细胞内而被胞浆脂酶水解成游离酸形式,该形式的游离酸可与胞浆内的游离钙离子(Ca 2+)结合成复合物,而这种复合物产生的荧光光谱变化可被显微镜检测,从而起荧光探针的作用。上述过程被称为/荧光负载0。很显然,负载后细胞内的荧光强度与胞浆钙浓度是正相关的,因而,可通过对细胞内荧光强度的测量反映胞浆游离钙离子浓度的大小,或者说,荧光强度是描述胞浆游离钙浓度的特征量。

D -H ank c s 液:用来对荧光负载过的样品进行洗涤,目的在于除去细胞外的Fluo -3/AM 。D -Hank c s 液的成分是(g/l):NaCl,8.00;Mg SO 4#7H 2O,0.20;KCl,0.40;Na 2HPO 4#12H 2O,0.12;KH 2PO 4,0.06;NaH CO 3,0.35。

电磁波照射系统:用来对样品进行电磁波辐照。系统的组成是:信号发生器,毫伏表,频率计,TEM 小室(Transverse Electromag netic Cell,横电磁波传输小室),功率计(兼作匹配负载),TEM 小室外箱体,箱体内温度控制系统,TEM 小室内温度监视系统。TEM 小室内被控制在35.2?0.2e 的恒温(与D -H ank c s 液同温,以防止温度变化带来的影响)。照射组样品被放入TEM 小室内接受参数预先设定的电磁波辐照。之所以采用TEM 小室是为了获得一个标准高的、在较大范围内参数一致的、被屏蔽的均匀平面电磁波,这样,既便于进行准确的生物电磁剂量,又可使各样品处于相同的、不受外界干扰的辐照环境中。TEM 小室内被控制在恒温状态是为了防止窗效应(属于非热效应)被淹没在因温度起伏而可能引起的热效应之中。

实验数据的获得:将制备好的且经过荧光负载的样品在不经电磁波辐照的条件下放在激光扫描共聚焦显微镜下进行荧光强度检测:一是检测细胞胞浆荧光强度,二是检测背景(样品之内细胞之外)荧光强度。检测到的荧光强度以两种形式给出:一是荧光强度的动态数据,即每经过一个极短的时间间隔便采集一个数据;二是荧光强度的动态曲线,且同一样品的所有被检测对象的荧光强度动态曲线被绘制在同一幅图中以便于比较,比如,图1(a)和(b)分别为实验中的一组对照组和照射组(重复频率为16Hz,脉冲场强为53V/m )的

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第2期牛中奇等:电磁波的生物学窗效应