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利用模式生物研究毫米波及微波辐射生物效应及医学防护

作　者: 高艳
导　师: 张成岗
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 生物化学与分子生物学
关键词: 电磁辐射高功率毫米波高功率微波秀丽线虫驱避效应
分类号: R142
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着电磁技术迅速发展和广泛应用，各种电磁场在生产生活中无处不在。在军事领域，高功率微波(high power microwave, HPM)武器、高功率毫米波(highpower millimeter wave, HPMMW)武器、激光武器等新概念武器的应用和不断更新换代，已经成为各国军事防御和新时期现代化战争的重要手段。美军高功率毫米波主动拒止武器在国际战争中的率先使用，给我国新概念武器的研发提出了新的挑战。高功率微波武器以及民用电磁设备(如手机、微波炉等)的广泛应用所伴随的健康危害及防护仍是电磁生物学尚未解决的科学问题。为此，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)为研究对象，分别利用大鼠、小鼠、原代培养细胞以及秀丽线虫等实验模型，系统地评价毫米波和微波的生物效应，揭示其损伤机制，并初步建立了电磁辐射防护药物筛选体系。本研究为我军毫米波新概念武器的研发提供重要的参考，为制定高功率微波照射相关卫生防护标准提供依据，为电磁生物效应的机制阐明奠定基础，为电磁防护候选药物的筛选提供技术支撑。主要研究结果如下：一、8mm高功率毫米波的生物效应和机制研究目的：以大鼠、小鼠、秀丽线虫为模型，深入探讨高功率毫米波生物损伤效应、损伤机制以及动物拒止效应的阈值参数，为我军高功率毫米波武器的研制提供重要的依据和参考。方法：在建立可有效模拟高功率毫米波主动拒止武器微波源项的基础上，①利用生物材料(新鲜猪皮组织)建立毫米波空间场强分布测定的生物剂量学方法体系，使用Matlab软件对辐照过程中不同层面生物材料表面的红外热像分布图进行三维重建，获得角锥喇叭天线(共有4种)和点聚焦透镜天线输出毫米波的空间场强分布特征，为后续生物效应实验参数的选择提供了重要的参考；②通过建立大鼠的逃逸行为评价体系，明确了毫米波致动物驱避效应的量效关系和敏感参数；③建立可靠的半定量病理学评价体系，以毫米波损伤的直接靶点皮肤入手，明确了高功率毫米波对于皮肤的损伤特征和量效关系；④进一步利用模式生物秀丽线虫对毫米波生物效应的机制进行揭示。结果：①经角锥喇叭天线输出后，毫米波(millimeter wave, MMW)在近场区域的空间场强分布十分复杂，角锥喇叭天线在电磁辐照空间形成的能量分布形式各异，场强随辐照距离增加而减弱，口径相同的角锥喇叭天线，高增益天线的输出场强较低增益天线更高。点聚焦透镜天线能够将能量集中在水平2.5cm直径、焦点附近垂直±6cm范围内，且能量分布比较均匀。②建立了动物逃逸行为评价装置，实现了对大鼠逃逸反应的强度和时间的精确量化。分析发现，大鼠逃逸发生的潜伏时间与辐照输出功率之间呈指数下降关系，输出平均功率越大，逃逸出现的潜伏时间越短。毫米波辐射导致大鼠辐照区域表皮迅速温升，当温度达到热疼痛阈值(43~45℃)时发生逃逸，点聚焦透镜天线最短可在3.25s导致大鼠逃逸。③各组动物均出现不同程度的皮肤损伤，其中角锥喇叭天线HD-320HA24.12照射组小鼠存活时间较长，皮肤表现为慢性损伤，真皮胶原纤维密度降低、消失，皮下脂肪层变薄甚至消失，肌细胞排列稀疏等。角锥喇叭天线HD-320HA23.16组小鼠存活时间最短，皮肤表现为急性损伤，真皮层胶原纤维密度增加、甚至无间隙、肌细胞排列稀疏等。角锥喇叭喇叭天线HD-320HA9.49和HD-320HA9.92的损伤形式与急性损伤类似。④输出平均功率为0.75W的毫米波辐照可导致线虫出现逃逸反应，线虫的逃逸反应与感知到伤害性热刺激相关。输出平均功率为1.52W的MMW辐照秀丽线虫2-5min可致线虫出现明显的损伤效应，表现为生长发育减慢，产卵数量降低，生殖细胞分化成熟障碍，未成熟卵母细胞出现肿瘤样堆积，生殖腺凋亡细胞增多，热应激蛋白HSP16.2蛋白表达上调。辐照组线虫的上述损伤与42℃热应激损伤后的表现非常相似。结论：①高功率毫米波输出场能量的分布形式与输出天线参数密切相关，点聚焦透镜天线更适合于毫米波驱避效应以及生物效应的研究，但缺点是作用区域较小。②点聚焦透镜天线可致大鼠短时间内出现逃逸反应，输出功率越大，动物逃逸出现的潜伏时间越短。③高功率毫米波造成的皮肤损伤可至小鼠皮下深层组织，各组肌肉层的损伤程度基本相同，真皮层的损伤形式与MMW的作用强度和时间有关。真皮层纤维组织及皮下肌细胞的密度和分布形式可作为评价皮肤损伤程度的指标。④秀丽线虫对于MMW辐照的生物效应非常敏感，MMW对于秀丽线虫的行为学影响以及生物损伤机制以热效应为主，线虫是一种评价电磁效应及深入研究损伤机制的理想模式生物。二、S波段高功率微波对原代培养神经元活性的影响目的：以平均功率密度5mW/cm~2的S波段微波为研究对象，评价该剂量微波照射对于神经细胞能量代谢的影响，旨在为制定高功率微波照射相关卫生防护标准提供依据。方法：出生后12h内Wistar大鼠乳鼠皮层神经细胞常规培养7d后，进行HPM照射。采用细胞内ATP酶活性测定法，检测HPM对原代培养神经细胞总ATP酶、钙镁ATP酶和钠钾ATP酶活性的影响，并用MTT法检测照射后细胞琥珀酸脱氢酶(SDH)活性的变化，观察时间点分别为为HPM照射后1h、6h、1d、3d、7d。结果：原代培养神经细胞经平均功率密度5mW/cm~2的HPM连续照射6min后，同一时间点内HPM照射组和对照组之间细胞SDH活性和各ATP酶活性均无显著差异。结论：平均功率密度为5mW/cm~2的HPM照射6min对原代神经细胞的活性无显著影响，提示就神经细胞活性而言，该辐射参数的HPM辐射6min是安全的。三、利用模式生物秀丽线虫评价L波段微波辐射生物效应、机制及防护的研究目的：以秀丽线虫为研究对象，系统地评价L波段电磁辐射对线虫的生物损伤效应和机制，并利用秀丽线虫在药物筛选方面的优势，建立便捷有效的电磁防护药物初筛体系。方法：建立秀丽线虫的电磁辐照体系，从生长、发育等方面详细排查电磁辐照对于秀丽线虫的敏感生物指标，在此基础上利用高通量测序技术从转录组水平筛选电磁辐照相关的线虫差异表达基因，明确电磁辐照的敏感靶点；进一步，利用秀丽线虫建立辐射防护药物筛选体系，从若干种多糖类化合物中筛选具有电磁防护潜能的化合物。结果：1.75GHz和0.9GHz电磁辐照均显著加速了线虫的生长发育。高通量测序结果显示，线虫发育及形态相关基因明显上调，其中包括表皮胶原相关dpy基因家族的表达显著上调。利用秀丽线虫建立了电磁防护药物筛选体系，从11种多糖类化合物(二所黄荣清教授提供)中初步筛选出知母多糖和枸杞多糖两种有效的候选药物，可有效地逆转电磁辐射对于线虫的生物效应。结论：持续性L波段电磁辐射影响了线虫的生长发育，线虫表皮胶原合成相关dpy基因家族的表达上调与电磁辐照加速线虫生长发育有着直接或间接的关系。本研究所建立的电磁防护药物筛选体系具有周期短、通量高、成本低、有效、便捷的优势，为在高等动物水平进行电磁防护药物的筛选缩短了研究周期，节约了成本。由此可见，秀丽线虫是进行电磁生物学研究的理想动物模型，可用于研究电磁辐射的生物效应与医学防护。综上所述，本研究对毫米波和微波生物效应的研究结果表明：8mm毫米波具有典型的热效应，持续辐照将造成小鼠表皮和真皮层的损伤以及线虫生长发育障碍，毫米波通过产生伤害性热刺激使得大鼠和线虫发生驱避行为。平均功率密度5mW/cm~2的2.856GHz微波辐照对原代神经细胞的活性无显著影响。持续的1.75GHz电磁辐射加速了线虫的生长发育过程，dpy基因家族的表达变化与线虫这一生物效应有关。本研究利用秀丽线虫建立了有效地电磁防护药物筛选体系。秀丽线虫是研究电磁效应及医学防护的理想模式生物。

全文目录

英文缩略词  6-7
中文摘要  7-10
Abstract  10-14
前言  14-21
第一部分利用不同模式动物研究高功率毫米波的生物效应  21-67
  第一章利用生物材料对 MMW 空间场分布形式的测定  21-31
    材料与方法  22-23
    结果  23-28
    讨论  28-30
    结论  30-31
  第二章高功率毫米波对小鼠存活及皮肤损伤效应  31-40
    材料与方法  31-32
    结果  32-37
    讨论  37-39
    结论  39-40
  第三章高功率毫米波致大鼠驱避效应的研究  40-47
    材料与方法  40-42
    结果  42-45
    讨论  45-46
    结论  46-47
  第四章高功率毫米波对秀丽线虫的驱避及损伤效应研究  47-58
    材料与方法  47-49
    结果  49-55
    讨论  55-57
    结论  57-58
  第五章基于图像分析软件 Image Pro Plus 的显微图像定量分析方法的改进  58-67
    材料与方法  58-60
    结果  60-63
    讨论  63-67
第二部分高功率微波辐射的安全性评价  67-79
  第一章高功率微波对原代培养神经元 SDH 活性影响的安全性评价  67-71
    材料与方法  67-68
    结果  68-70
    结论  70-71
  第二章高功率微波对神经细胞 ATP 酶活性影响的安全性评价  71-79
    材料与方法  71
    结果  71-76
    结论  76
    讨论  76-77
    结论  77-79
第三部分利用模式生物秀丽线虫研究 L 波段电磁辐射的生物效应、机制及防护药物  79-109
  第一章 L 波段电磁辐射对线虫的生物效应  79-90
    材料与方法  80-81
    结果  81-88
    讨论  88-90
  第二章采用高通量测序技术对线虫电磁生物效应机制的初步分析  90-100
    材料与方法  90-93
    结果  93-97
    讨论  97-100
  第三章利用秀丽线虫建立电磁防护药物筛选体系以及多糖类化合物电磁防护效果的初步筛选  100-109
    材料与方法  101-103
    结果  103-106
    讨论  106-108
    结论  108-109
参考文献  109-119
全文总结  119-120
主要仪器设备  120-121
附录  121-128
文献综述  128-132
  参考文献  130-132
发表论著(全文)  132-137
个人简历  137-139
致谢  139

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