作者：霍蕊莉 综述 彭瑞云 审校
来源：军事医学科学院放射医学研究所
摘要: 不同频率和功率的电磁波所引起的生物效应不同。 骨髓是电磁辐射敏感的靶器官之一, 其最显著的影响是对造血功能的损伤。 但骨髓辐射损伤机制尚不明确, 可能与骨髓基质细胞、细胞因子、增殖和死亡调控基因、细胞周期、DNA 损伤及酶活性等方面的异常有关。
关键词:电磁辐射;骨髓造血系统;生物效应
中图分类号: R594.8 文献标识码: A 文章编号: 1001-1226(2005) 03_0179_04
随着电子技术飞速发展, 电磁场广泛存在于人类的生存环境中 。通讯 、广播、电视、工业电器设备和家用电器等设备所发出较强的电磁波与日俱增地污染着环境, 电磁辐射成为一种新的环境污染而受到关注 。造血系统作为对电磁辐射较为敏感的靶器官之一,逐渐成为国内外学者关注的焦点。
1 电磁辐射对骨髓损伤的量-效关系
对于辐射剂量及其生物效应关系的研究几乎在 X 射线发现后即已开始 。目前发现微波辐射对骨髓造血组织的损伤存在明显的剂量-效应关系, 但其规律尚未阐明。一般认为, 造血组织的损伤效应与辐射剂量、辐照时间和平均功率密度等均密切相关。早 在 80 年 代 初 Ottenbreit 等[ 1]用2450MHz 微波照射大鼠骨髓细胞, 平均功率密度 31～ 1000mW cm2 ( 相应的平均比吸收率SAR为 62 ～ 2000mW g) 。细胞暴露于功率密度为 31或 62mW cm26～ 7 或12～ 14 天后, 中性粒细胞集落形成单位的数量未见减少 。但随着功率密度升高到 1000mW cm2 , 中性粒细胞集落形成单位的数量减少。Trosic 等[ 2]采用非电离、非致热( 2450MHz, 平均功率密度为5 ～ 15mW cm2) 的微波辐照雄性 Wistar 大鼠, 实验组20 只每天照射 2h, 每周5 天, 于第1 、8、16、30 天活杀, 结果显示淋巴细胞计数呈递减趋势, 而对照组无明显变化。
2 电磁辐射对骨髓造血功能的影响
骨髓是对辐射敏感的靶器官之一。国际癌症研究机构( IARC) 依据流行病学调查结果将工频磁场定为人类可疑致癌物, 近年来一些动物实验研究的结果支持电磁辐射可能诱发白血病的推论[ 3, 4], 而且研究也表明不同波长、不同功率的微波对骨髓造血功能的影响不同。
2.1 电磁辐射对外周血细胞的影响
由于骨髓对微波辐射较为敏感, 不同强度的微波暴露, 可引起不同程度的外周血象的变化。早在 1964 年 Deichmann 就曾报道,大鼠经2450MHz、平均功率密度为 20mW cm2微波辐照 7.5h, 红细胞总数 、血色素浓度及中性粒细胞均见升高, 而淋巴细胞减少 。
有学者报道不同波长 、不同功率的微波对血液及其中各种成分的影响不同 。用低功率微波进行长期照射, 可使红细胞核结构异常, 重复照射可影响红细胞生成;大功率微波辐射后, 红细胞的脆性增加, 这与射频电场作用后, 红细胞溶血增加的结果是一致的。微波对白细胞的影响因波长而异, 厘米波使其计数增加, 毫米波使其减少[ 5]。
2.2 电磁辐射对骨髓细胞的影响
彭瑞云等[ 6]采用辐射源场强为 6 ×104V m的电磁脉冲辐照健康猕猴, 照前骨髓中造血细胞含量丰富, 各系统各阶段造血细胞均可见到, 电磁辐射暴露后 1～ 14 天, 骨髓中造血细胞进行性减少, 尤以各系统幼稚细胞减少为显著 ;暴露后 28 天, 骨髓中可见大量中性粒细胞和巨核细胞等成熟细胞, 而幼稚细胞偶见 。Simko 等[ 7]应用 50Hz 电磁场对大鼠骨髓巨噬细胞的吞噬作用和自由基的产生效应进行实验。巨噬细胞在体外受不同磁场密度 ( 0.5 ～ 1.5mT) 电 磁场 的作 用, 暴露45min, 结果吞噬率未见明显增加, 但电磁场辐照后巨噬细胞过氧化物显著增高。可见,电磁辐射可能影响骨髓细胞的功能 。
2.3 电磁辐射对凝血功能的影响
凝血系统包括凝血和抗凝血两个方面。凝血是一系列因子包括凝血酶原 、纤维蛋白原等参与的复杂的生理过程。在国内外文献中, 关于电磁辐射对机体凝血机制影响方面的报道较少。有学者提出低强度微波对血小板和凝血时间无显著影响, 高强度微波则会导致凝血时间延长, 血块凝缩时间变短, 血液粘度和粘弹性降低, 这种降低很大程度上是由于红细胞聚集能力的改变引起的[ 5]。彭瑞云等[ 8]采用猕猴经 6×104 V m 电磁脉冲辐照后, 发现其血浆中凝血酶时间和活化部分凝血活酶时间延长, 纤维蛋白原含量减少, 表明受照动物血浆中凝血酶和纤维蛋白原发生异常, 进而影响机体凝血功能, 使机体凝血功能发生障碍 。
3 电磁辐射暴露后骨髓组织的病理形态改变
电磁波被生物体吸收后, 可使机体组织发生生物化学或物理化学作用, 引起正常生理机能的破坏, 造成机体产生暂时或永久的病理状态 ;长期接触电磁波, 骨髓造血组织呈现不同的病理改变 。彭瑞云等[ 6]采用 6×104 V m 的电磁脉冲辐照成年健康猕猴, 辐照后 3天, 凋亡的细胞明显增多, 以幼稚的红系细胞为主, 核染色质浓缩 、边移, 可成半月形 、环形和不规则形 。线粒体高度空化 、肿胀, α颗粒减少或消失 。血小板形态不整, 突起形态各异 。红细胞哑铃型改变, 浆细胞内质网扩张 。于照后 7～14 天, 凋亡与坏死的细胞均可见到, 仍以幼稚的红系细胞为主。可见红系细胞呈营养不良性改变, 线粒体肿胀 、空化, 内质网扩张,核膜间隙增宽。坏死的细胞表现为核肿胀,胞浆溶解。血小板病变进一步加重 。照后28 天～ 3个月, 骨髓中造血细胞数量和形态
渐渐恢复至正常状态。
强电磁场对白细胞的作用机制目前尚不清楚, 有学者报道正常人离体血液经 100mT强电磁场作用后, 白细胞超微结构发生变化,细胞体积增大, 使穿过细胞的磁能量增多, 细胞合成受抑, 从而使白细胞总数下降[ 9]。
4 电磁辐射对骨髓造血组织损伤的可能机制
生物体接受电磁辐射后大多数能产生电和磁场, 然后变成电能, 一种作用于细胞, 使其产生变化( 即热效应) ;另一种作用于细胞膜的生物聚合体( 非热效应)[ 10]。目前电磁辐射对骨髓造血组织损伤的机制尚未阐明,国内外有文献报道可能与骨髓基质细胞、细胞因子、增殖和死亡调控基因、细胞周期、DNA 损伤及酶活性等方面的损伤效应有关。
4.1 骨髓基质细胞脂质过氧化
骨髓基质细胞( MSC) 是造血微环境的重要组成部分, 同时产生多种细胞因子调控造血, 其结构和功能的完整性对保持骨髓造血稳定性具有十分重要的作用, 研究表明, 某些生物、化学或物理因素均可通过损伤造血微环境而影响造血功能[ 11]。邓中荣等[ 12]取正常人髂骨骨髓经细胞培养后, 采用频率为2450MHz, 平 均 功 率 密 度 为 10、20 和 30mW cm2 的连续波, 垂直极化照射, 照射距离40cm, 结果发现微波辐照可引起骨髓基质细胞超氧化物歧化酶( SOD) 活性降低, 细胞清除自由基的能力下降, 脂质过氧化产物甲二氧基苯异丙胺( MDA) 含量升高。微波辐照强度越大, SOD 活性下降程度越大, MDA 含量升高越明显, 细胞脂质过氧化损伤越严重。另有实验表明, 应用 50Hz电磁场对大鼠骨髓巨噬细胞照射 45min 后巨噬细胞过氧化物水平也显著增高[ 7]。
因此, 微波辐射一方面可能破坏细胞内的抗氧化系统, 另一方面引起细胞内脂质过氧化反应, 使细胞内产生大量的自由基, 细胞内氧化与抗氧化系统失去平衡, 进而引起细胞损伤[ 13]。提示骨髓微环境基质细胞脂质过氧化损伤可能是微波导致造血功能障碍的可能机制之一。
4.2 细胞因子的影响
造血系统是维持机体生命活动的重要系统之一 。许多研究表明, 造血活动的正常进行是体内众多体液因子综合作用的结果[ 14]。在造血活动调控中, 细胞因子是最重要, 也是直接参与的调控因子 。分子生物学技术的不断发展, 使人们对这一调控作用有了更深的认识, 在电磁辐射损伤骨髓造血功能的过程中, 细胞因子起了不可替代的作用[ 15]。
肿瘤坏死因子-α( TNF-α) 能抑制造血, 引起红细胞生成减少、破坏增加。白细胞介素-1( IL-1) 是重要的炎症介质, 在造血系统并不诱导造血细胞增殖和分化, 但能诱导多种造血因子( 如 GM-CSF 、G-CSF 、M-CSF 和 IL-3) 释放, 并且与这些造血因子协同刺激造血细胞( 特别是干细胞) 增殖与分化。白细胞介素-6( IL-6) 和白细胞介素-3( IL-3) 对诱导小鼠多种造血前体细胞增殖有协同作用, 其中 IL-6诱导上述细胞从休眠状态进入细胞周期[ 16]。有研究用 6 只 8 月龄雌性 Wistar 大鼠, 分为对照组和卵巢切除组, 卵巢切除组又分为脉冲电磁场未暴露组和暴露组, 结果表明暴露于脉冲电磁场的大鼠骨髓细胞中 TNF-α、IL-1和 IL-6 的释放受到抑制[ 17]。
4.3 增殖和死亡调控及细胞周期改变
4.3.1 增殖和死亡调控基因的改变
细胞死亡根据细胞死亡过程中细胞的形态学特征及其发生的分子机制分为细胞凋亡和坏死。自1972 年 Kerr 等对凋亡现象作了报道以来, 细胞凋亡的研究成为一个重要的研究热点 。电磁辐射可激活受体非依赖性通道的蛋白激酶 C( PKC) 信号通路, 导致 c-fos和 c-jun 的合成。原癌基因 c-fos 属即刻早期反应基因, 其编码的蛋白质为重要的转录因子, 可诱导其下游基因 mRNA 转录和蛋白表达, 参与细胞增殖和凋亡的调控, 其表达异常增加可诱发细胞转化和肿瘤形成[ 18]。
4.3.2 细胞周期的改变
研究表明, 电磁场的暴露可影响细胞周期的进展。采用 2450MHz, 平均功率密度为10mW cm2的微波全身辐照小鼠可使其骨髓有核细胞减少, 并且骨髓 G 1 期细胞减少, 而S 期细胞增多和 G 2 期阻滞 。上述改变可能是机体对微波辐射损伤的一种抵抗反应, 起到促进骨髓细胞增殖与修复的作用[ 4]。
4.4 电磁辐射后骨髓造血细胞 DNA 损伤
有报道认为 DNA 损伤是在非热效应下产生的:( 1) 微波使骨髓有核细胞 DNA 大分子受到损伤或抑制 DNA 的合成;( 2) 微波使DNA的分解代谢能力增强;( 3) 微波促使骨髓内有核细胞向外周血中转移, 从而代偿外周血粒细胞的减少[ 19]。其损伤机制主要为生物膜上含有大量的不饱和脂肪酸, 它们主要存在于膜脂质中, 使各种细胞膜对外界理化因素具有高度灵敏性;在细胞间期, 核内染色体呈离散状态分布, 并在多处与核膜接触。在膜内强电场作用下, 脂质过氧化一旦发生在核膜上, 其所产生的各种活性氧自由基及非自由基产物将直接损伤 DNA[ 20,21]。因此,细胞内脂质过氧化可能是脉冲电磁波跨膜损伤DNA 的重要原因。
4.5 酶活性的改变
将培养中的肿瘤细胞置于 60Hz 电磁场中暴露, 观察到鸟氨酸脱羧酶( ODC) 活性增加了 5 倍[ 22], 电磁场能调节重要酶序列, 使细胞表面的信号刺激到细胞内部, 通过信使蛋白激酶及生长调节酶 ODC 到达细胞核来改变基因表达[ 23]。
5 结语
电磁辐射已构成污染环境和威胁人类健康的因素, 所致的危害越来越引起人们的重视, 且对骨髓造血功能的影响已被许多学者证实, 但这一领域的研究仍存在以下问题:( 1) 对其生物效应的产生机制目前仍不清楚。(2) 电磁辐射的量-效关系未得到解决, 需要对其进行系统研究 。( 3) 电磁辐射损伤的诊断和防治有待解决 。总之, 对这一领域的研究还有待进一步完善, 应对尚未阐明的方面进行大量深入的研究, 以期能更好地防治电磁辐射的损伤。
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