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电磁辐射对大脑海马区域的损伤作用研究进展

日期: 2019-01-02
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发布日期: 2019-01-02
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中国卫生产业  2011年第9期


电磁辐射对大脑海马区域的损伤作用研究进展


刘璐    陈跃辉

(四川大学华西公共卫生学院 成都 610041)


【摘要】人类中枢神经系统对电磁辐射损伤甚为敏感,甚至一定强度的电磁辐射可以引起脑组织功能及结构的改变。海马区域涉及人类学习、记忆等重要功能。因此,对于大脑海马神经元在电磁辐射下产生的损害作用的研究以及关于电磁辐射对中枢神经系统的损伤作用研究也多集中于此。电磁辐射对海马区域的损伤作用主要表现为细胞的凋亡与坏死。其机制主要为细胞内钙超载,细胞信号转导通路的异常改变以及对海马区域细胞DNA的损伤作用。本综述将基于以上观点,从细胞内钙超载,细胞信号转导以及细胞DNA损伤作用三方面就电磁辐射对海马区域的损伤作用进行阐述。

【关键词】电磁辐射 海马 损伤机制 研究 进展

【中图分类号】R82 

【文献标识码】

【文章编号】1672-5654(2011)09(a)-0116-02


随着科学的发展,人类较以往更多的暴露于各类电磁辐射之中。近年来,电磁辐射对机体所造成的损伤作用逐渐引起了研究者的重视。中枢神经系统对电磁辐射损伤甚为敏感,一定强度的电磁辐射可以引起脑组织功能及结构的改变[1~2]。电磁辐射对海马区域的损伤作用主要表现为细胞的凋亡与坏死。这一现象在实验中通常是以锥体细胞的丢失为表现形式。对于电磁辐射诱导海马细胞调亡和坏死的研究较为深入,多组研究人员采取不同试验方法都得出了较为一致的结论[3~4]。导致该区域细胞凋亡坏死的机制主要为细胞内钙超载,细胞信号转导通路的异常改变以及对海马区域细胞DNA的损伤作用。

细胞内钙超载是其中一种重要的机制。由于胞膜破坏所致胞膜穿孔或者胞膜钙结合蛋白(calcium  binding  protein,CaBP)的改变导致的钙流入增加,造成细胞内部钙离子浓度明显升高,并通过一系列复杂的Ca2+调控的细胞凋亡信号转导过程发挥损伤作用。

研究发现,多种细胞信号转导途径都与细胞的凋亡与坏死有关。海马区域细胞在电磁辐射的诱导下,ERK通路的过度激活可导致细胞凋亡的发生,而JAK-STAT通路的活化与海马区域内小胶质细胞的过度激活产生的促炎性反应相关。对细胞内DNA损伤机制的探讨则主要集中在DNA的氧化应激反应。由于电磁辐射诱导细胞损伤,细胞内存在过多的氧化性自由基,而胞内抗氧化物质无法消除其影响,则可导致DNA的氧化损伤效应。

本综述将基于以上观点,从细胞内钙超载,细胞信号转导以及细胞DNA损伤作用三方面就电磁辐射对海马区域的损伤作用进行阐述。


1.细胞内Ca2+ 超载

海马区域遭受电磁辐射产生细胞凋亡与坏死的一个重要机制就是细胞内钙超载。而目前认为,导致细胞内钙超载的主要原因是细胞膜电穿孔导致的Ca2+内流增加和CaBP的改变。前者是由于细胞膜原有电位在电磁辐射的作用下发生变化,跨膜电位增强,细胞膜内部大分子不可逆转的结构改变,使得细胞膜脂质双分子层孔道形成。而后者则是由于细胞膜上CaBP的改变,导致细胞膜Ca2+通透性增加,Ca2+内流增加,最终导致锥体细胞内的钙超载。

1.1细胞膜电穿孔导致的Ca2+内流增加

研究者发现,海马区域在经电磁辐射后,神经元细胞膜变粗大,胞膜穿孔明显增多,海马区神经元确实存在形态学损伤;观察发现细胞内Ca2+浓度明显增加,细胞凋亡与坏死率升高明显。由此现象推测是由细胞膜电穿孔导致的Ca2+内流增加引起。

1.2 CaBP的改变

有研究显示,小鼠经835MHz电磁波辐射处理1个月后,经免疫组化染色检查海马区域内的CaBP-d28k,发现其含量水平有明显变化,海马角(cornu ammonis,CA)区域内锥体细胞几乎全部消失;提示是由于CaBP的差异,导致细胞内Ca2+水平的改变,对正常海马细胞的神经元连接和信号整合有毒害作用[4]。


2.细胞信号转导

电磁辐射可以通过影响细胞信号转导途径,激活细胞凋亡,或者激发细胞毒作用,从而产生对中枢神经系统的损伤作用。目前受关注较多的方面有Raf激酶抑制蛋白(RKIP)介导的细胞外调节蛋白激酶(extracellularregulatedproteinkinases,ERK)通路过度激活,和JAK-STAT途径对炎性反应的介导。

2.1  RKIP介导的ERK通路过度激活

RKIP介导的ERK通路过度激活也是电磁辐射致海马区域神经元凋亡与坏死的重要机制之一。ERK是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族的成员。其转导途径与机制研究已较为透彻,信号调节途径涉及包括生长、发育、生长、凋亡等多种生理功能。在电磁辐射诱导下,极有可能触发ERK信号转导途径,从而引起细胞凋亡反应。有研究表明,ERK在钾离子外流异常的情况诱导下,会起到促凋亡因子的作用[5]。ERK途径有可能与中枢神经系统的退行性改变有关联,有学者研究发现,在Alzheimer症患者中,ERK途径的激活被认为是其早期特征性改变之一[6]。

2.2  JAK-STAT途径对促炎性反应的介导

电磁辐射可导致体外培养的小胶质细胞通过信号转导子和转录激活子(signal transducer and activator of  transcription,STAT)的转录活化产生肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)。小胶质细胞也以此获得活化,导致促炎性反应,引起中枢神经系统损伤。另有研究者指出,最初的小胶质细胞活化是由于电磁辐射的直接作用,并且已经能够产生显著的促炎性反应;JAK-STAT信号传导途径并没有参与最初的小胶质细胞活化,但却实在电磁辐射诱导后的小胶质细胞活化过程中起到了相当的促进作用[7]。JAK-STAT通路对小胶质细胞过度活化,促炎性反应产生的影响仍期待进一步的研究阐释。


3 细胞DNA损伤作用

暴露于电磁辐射可对海马区域细胞DNA产生损伤作用。对其机制的探索主要集中于DNA的氧化应激反应。而细胞内抗氧化物质,如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽(glutathione,GSH)等的量的减少,或其作用无法对抗氧化作用,则表现出组织的损伤。电磁辐射作用于海马区域细胞后,主要表现为超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)浓度的减少,氧化损伤标志物8-羟基鸟嘌呤(8-hydroxyguanine,8-OHdG)含量的增加、丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量的增加,以及金属硫蛋白(metallothionein,MT)含量的变化。


4 结语

现有研究已经从作用机制方面就电磁辐射对海马区域的损伤作用做出了较为深入的研究探索。导致该区域细胞凋亡坏死的机制主要认为是细胞内钙超载,细胞信号转导通路的异常改变以及对海马区域细胞DNA的损伤作用。了解电磁辐射的损伤机制为我们防止其危害,治疗电磁辐射的损伤提供了可供尝试的途径。

基于上述电磁辐射对海马区域细胞损伤的研究进展,我们可以就此大胆提出对于可能的应对方案的设想。对于电磁辐射造成的DNA损伤方面,MT对抗DNA氧化损伤可能有较强大的作用,值得今后做更深入的研究探讨。而关于电磁辐射对大脑海马区域的损伤作用的研究更广阔更深层次的机制和更加完善的应对途径仍期待我们发掘。


参考文献

[1] Johansen C. Exposure to Electromagnetic Fields and Risk of Central Nervous System Disease in Utility Workers [J]. Epid  emiology,2000,11(5):539~543.

[2] Wang B,Lai H. Acute exposure to pulsed 2450-MHz microwaves affects water-maze performance of rats [J]. Bioelectroma  gnetics,2000,21(1):52~56.

[3] Bas O. Odaci E,Mollaoglu H,Ucok K,et al. Chronic prenatal exposure to the 900 megahertz electromagnetic field induces  pyramidal cell loss in the hippocampus of newborn rats[J]. Toxicology & Industrial  Health,2009,25(6):377~384.

[4] Maskey D,Kim M,Aryal B,et al. Effect of 835 MHz radiofrequency radiation exposure on calcium binding proteins in the hippocampus of the mouse brain[J]. Brain Research,2010,1313:232~241.

[5] McLaughlin-Drubin ME,Christensen ND,Meyers C. Propagation,infection,and neutralization of authentic HPV16 virus.  Virology,2004,322(2):213~219

[6] Pyeon D,Lambert PF,Ahlquist P. Production of infectious human papillomavirus independently of viral replication and epithelial cell differentiation[J]. Proceedings of the National Academy of  Sciences of the United States of  America,2005,102(26):9311~9316.

[7] Yang X,He G,Hao Y,et al. The role of the JAK2-STAT3 pathway in pro-inflammatory responses of EMF-stimulated N9 microglial cells[J].Journal of Neuroinflammation,2010,7:54.

(收稿日期:2011-08-11)

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