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(hù).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(chǎng)在生產(chǎn)生活中無(wú)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(guó)軍事防御和新時(shí)期現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要手段。美軍高功率毫米波主動(dòng)拒止武器在國(guó)際戰(zhàn)爭(zhēng)中的率先使用,給我國(guó)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(jī)、微波爐等)的廣泛應(yīng)用所伴隨的健康危害及防護(hù)仍是電磁生物學(xué)尚未解決的科學(xué)問(wèn)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(duì)象,分別利用大鼠、小鼠、原代培養(yǎng)細(xì)胞以及秀麗線蟲等實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?系統(tǒng)地評(píng)價(jià)毫米波和微波的生物效應(yīng),揭示其損傷機(jī)制,并初步建立了電磁輻射防護(hù)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù),為電磁生物效應(yīng)的機(jī)制闡明奠定基礎(chǔ),為電磁防護(hù)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(jī)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(jī)制以及動(dòng)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(dòng)拒止武器微波源項(xiàng)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(chǎng)強(qiáng)分布測(cè)定的生物劑量學(xué)方法體系,使用Matlab軟件對(duì)輻照過(guò)程中不同層面生物材料表面的紅外熱像分布圖進(jìn)行三維重建,獲得角錐喇叭天線(共有4種)和點(diǎn)聚焦透鏡天線輸出毫米波的空間場(chǎng)強(qiáng)分布特征,為后續(xù)生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇提供了重要的參考;②通過(guò)建立大鼠的逃逸行為評(píng)價(jià)體系,明確了毫米波致動(dòng)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(píng)價(jià)體系,以毫米波損傷的直接靶點(diǎn)皮膚入手,明確了高功率毫米波對(duì)于皮膚的損傷特征和量效關(guān)

5、系;④進(jìn)一步利用模式生物秀麗線蟲對(duì)毫米波生物效應(yīng)的機(jī)制進(jìn)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(chǎng)區(qū)域的空間場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)較低增益天線更高。點(diǎn)聚焦透鏡天線能夠?qū)⒛芰考性谒?.5cm直徑、焦點(diǎn)附近垂直±6cm范圍內(nèi),且能量分布比較均勻。②建立了動(dòng)物逃逸

6、行為評(píng)價(jià)裝置,實(shí)現(xiàn)了對(duì)大鼠逃逸反應(yīng)的強(qiáng)度和時(shí)間的精確量化。分析發(fā)現(xiàn),大鼠逃逸發(fā)生的潛伏時(shí)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(shí)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(dāng)溫度達(dá)到熱疼痛閾值(43～45℃)時(shí)發(fā)生逃逸,點(diǎn)聚焦透鏡天線最短可在3.25s導(dǎo)致大鼠逃逸。③各組動(dòng)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(shí)間較長(zhǎng),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(xì)胞排列稀疏等。角錐喇叭天線HD-320HA23.16組小鼠存活時(shí)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(wú)間隙、肌細(xì)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(zhǎng)發(fā)育減慢,產(chǎn)卵數(shù)量降低,生殖細(xì)胞分化成熟障礙,未成熟卵母細(xì)胞出現(xiàn)腫瘤樣堆積,生殖腺凋亡細(xì)胞增多,熱應(yīng)激蛋白HSP16.2蛋白表達(dá)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(chǎng)能量的分布形式與輸出天線參數(shù)密切相關(guān),點(diǎn)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(diǎn)是作用區(qū)域較小。②點(diǎn)聚焦透鏡天線可致大鼠短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)逃逸反應(yīng),輸出功率越大,動(dòng)物

9、逃逸出現(xiàn)的潛伏時(shí)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(qiáng)度和時(shí)間有關(guān)。真皮層纖維組織及皮下肌細(xì)胞的密度和分布形式可作為評(píng)價(jià)皮膚損傷程度的指標(biāo)。④秀麗線蟲對(duì)于MMW輻照的生物效應(yīng)非常敏感,MMW對(duì)于秀麗線蟲的行為學(xué)影響以及生物損傷機(jī)制以熱效應(yīng)為主,線蟲是一種評(píng)價(jià)電磁效應(yīng)及深入研究損傷機(jī)制的理想模式生物。
　　二、S波段高功率微波對(duì)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(duì)象,評(píng)價(jià)該劑量微波照射對(duì)于神經(jīng)細(xì)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。
　　方法:出生后12h內(nèi)Wistar大鼠乳鼠皮層神經(jīng)細(xì)胞常規(guī)培養(yǎng)7d后,進(jìn)行HPM照射。采用細(xì)胞內(nèi)ATP酶活性測(cè)定法,檢測(cè)HPM對(duì)原代培養(yǎng)神經(jīng)細(xì)胞總ATP酶、鈣鎂ATP酶和鈉鉀ATP酶活性的影響,并用MTT法檢測(cè)照射后細(xì)胞琥珀酸脫氫酶(SDH)活性的變化,觀察時(shí)間點(diǎn)

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(xì)胞經(jīng)平均功率密度5mW/cm2的HPM連續(xù)照射6min后,同一時(shí)間點(diǎn)內(nèi)HPM照射組和對(duì)照組之間細(xì)胞SDH活性和各ATP酶活性均無(wú)顯著差異。
　　結(jié)論:平均功率密度為5mW/cm2的HPM照射6min對(duì)原代神經(jīng)細(xì)胞的活性無(wú)顯著影響,提示就神經(jīng)細(xì)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(píng)價(jià)L波段微波輻射生物

12、效應(yīng)、機(jī)制及防護(hù)的研究
　　目的:以秀麗線蟲為研究對(duì)象,系統(tǒng)地評(píng)價(jià)L波段電磁輻射對(duì)線蟲的生物損傷效應(yīng)和機(jī)制,并利用秀麗線蟲在藥物篩選方面的優(yōu)勢(shì),建立便捷有效的電磁防護(hù)藥物初篩體系。
　　方法:建立秀麗線蟲的電磁輻照體系,從生長(zhǎng)、發(fā)育等方面詳細(xì)排查電磁輻照對(duì)于秀麗線蟲的敏感生物指標(biāo),在此基礎(chǔ)上利用高通量測(cè)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(dá)基因,明確電磁輻照的敏感靶點(diǎn);進(jìn)一步,利用秀麗線蟲建立輻射防護(hù)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(hù)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(zhǎng)發(fā)育。高通量測(cè)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(dá)顯著上調(diào)。利用秀麗線蟲建立了電磁防護(hù)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(duì)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(zhǎng)發(fā)育,線蟲表皮膠原合成相關(guān)dpy基因家族的表達(dá)上調(diào)與電磁輻照加速線蟲生長(zhǎng)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(hù)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(shì),為在高等動(dòng)物水平進(jìn)行電磁防護(hù)藥物的篩選縮短了研究周期,節(jié)約了成本。由此可見(jiàn),秀麗線蟲是進(jìn)行電磁生物學(xué)研究的理想動(dòng)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(hù)。
　　綜上所述,本研究對(duì)毫米波和微波生物效應(yīng)的研究結(jié)果表明:8mm毫米波具