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高壓輸電線電磁輻射對大鼠影響的研究

來源:中華醫學研究雜志 作者:龐小峰, 袁平,張安英,陳慧黠,李建忠,王洪志,周玉榮 2006-8-19

摘要: 【摘要】 目的 研究高壓輸電線的電磁輻射對大鼠的影響。方法 將大鼠用高壓輸電線電磁輻射的模擬系統輻照400天后,檢測脾臟細胞STAT3蛋白磷酸化水平,測定其心電、腦電和肌電,觀測肺、腎和雄性大鼠睪丸的顯微結構,并測定血液生化及血常規指標和血紅蛋白結構等。結果 大鼠脾臟細胞STAT3蛋白磷酸化水平明顯升高。肺、腎和......


  【摘要】   目的   研究高壓輸電線的電磁輻射對大鼠的影響。方法   將大鼠用高壓輸電線電磁輻射的模擬系統輻照400天后,檢測脾臟細胞STAT3蛋白磷酸化水平,測定其心電、腦電和肌電,觀測肺、腎和雄性大鼠睪丸的顯微結構,并測定血液生化及血常規指標和血紅蛋白結構等。結果   大鼠脾臟細胞STAT3蛋白磷酸化水平明顯升高;血液谷丙轉氨酶含量、白細胞數目顯著增加;血紅蛋白的紅外光譜圖部分吸收峰位置和峰強度改變;心電圖心動周期延長、心率變短等以及肌肉復合電位的波幅大量降低;肺、腎和雄性大鼠睪丸的組織結構出現異常。結論   高壓輸電線電磁輻射對大鼠細胞信號轉導、血液系統、呼吸系統和生殖系統等都有不同程度的影響。
     
  【關鍵詞】   高壓輸電線;電磁輻射;大鼠
    
  Influence of electromagnetic irradiation for high-voltage transmission lines on rats

  PANG Xiao-feng, YUAN Ping,ZHANG An-ying,et al.

  Life Science and Technology School and Sichuan Key Lab. of
Bioelectromagnetics and Bioelectronic Technology, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China

  【Abstract】   Objective   To study the effect of exposure to electromagnetic irradiation(EMF) for high-voltage transmission lines(HVTL) on rats.Methods   Rats were exposed to EMF imitated for HVTL. Electrocardiogram and electroencephalogram were measured. The organic structure of lung and spermary were observed and phosphorylations of STAT3 were detected in spleen cells. Meanwhile the biochemical indexes of blood were determined. Results   The expression of phosphor-stat3 was significantly increased. The content of alanine aminotransferase and number of white cells were remarkably improved. And the intension of peak in FTIR of haematoglobin was changed. The organic structure of lung and spermary were abnormal. Conclusion   The EMF of HVTL could bring the intensifying effect on cell signal transduction, blood system and productive system of rats, respectively.

  【Key words】   high-voltage transmission lines; electromagnetic irradiation; rats

  隨著國家工業化程度的發展,高壓輸電線和各種電視臺、電臺等輻射的大量低頻電磁波,使人們不同程度的受這種電磁輻射的影響。這些電磁輻射攜帶有極高的電磁能量和具有強大的電磁力,它會對周圍的人和動物產生強烈的相互作用,改變生物的電磁特性,影響生物的生理健康和生物功能。高壓輸電線電磁輻射對人體影響的程度和產生 的生物效應是一個長期爭論的話題[1~3]。我們通過測試對活體動物的宏觀生物特性及微觀生物結構在高壓輸電線照射后的變化來研究高壓輸電線電磁輻射對大鼠的影響,以探索高壓輸電線電磁輻射的生物效應及其作用機制。

  1 材料與方法

  1.1 高壓輸電線輻射系統  

  我們測試了高壓輸電線電磁場在距離地面1.6~2.3m的場強分布大約是3500~4000v/m和0.1~0.01高斯左右,據此在實驗室建立了高壓輸電線路電磁輻射的模擬系統,電場為3700~4000v/m,磁場為0.1~0.08高斯。

  1.2 動物分組與飼養  

  取32只Wistar大鼠(購自四川大學醫學院實驗動物中心,12~14周齡,雌雄各半,分開飼養),隨機分為兩組,實驗組(雌雄大鼠各8只)經電磁輻射模擬系統照射,對照組未被照射,同條件飼養400天。

  1.3 STAT3的磷酸化  

  大鼠經頸椎脫臼處死后,速取脾臟,勻漿制成細胞懸液,取4×106個細胞懸浮于PBS溶液中,分為兩組,一組加入適當劑量IL-2進行刺激, 另一組未加入IL-2。每管中加入含有蛋白酶抑制劑的細胞裂解液,離心收集上清,上清加入上樣孔,進行8%SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE),用槽式轉膜儀將蛋白質轉移到硝酸纖維素膜上, 該膜用含5%BSA的TBST封閉液,然后加入抗酪氨酸磷酸化的單克隆抗體與膜蛋白結合,TBST洗膜,先后加入生物素化羊抗鼠IgG和辣根酶標記鏈親合素結合,洗膜后用DAB顯色。圖像經Smartview 2002生物電泳圖像分析軟件進行處理分析。

  1.4 心電圖、血液生化及血常規指標和血液中血紅蛋白結構的測定  
  大鼠用烏拉坦腹腔麻醉后,取大鼠仰位,將針電極分別刺入其四肢皮下, 用心電圖機記錄標準導聯的心電圖,測定大鼠心率、各波振幅和各波間期等參數。連續測量5次,求出平均值, 數據以(x±s)表示,心電圖值均數采用t檢驗統計分析。大鼠從股動脈處取血,不加抗凝劑,靜置30min,離心取血清;加肝素抗凝后取全血測試白細胞數、紅細胞數及血紅蛋白含量;用全自動生化儀對肝、腎功能的部分生化指標進行血清測定; 大鼠血液經肝素鈉抗凝, 裂解大鼠RBC, 離心,保留血紅蛋白上清液,調節血紅蛋白溶液pH接近中性;往血紅蛋白上清液內加中性鹽硫酸胺,至出現硫酸胺結晶止,再用鹽析法,提純出濃度較高的血紅蛋白, 進行紅外吸收光譜的測定。

  1.5 肺、腎組織和大鼠睪丸的顯微結構觀測  

  取肺組織、腎臟組織以10%冷甲醛固定,經水洗、梯度酒精脫水、石蠟包埋,切片,HE染色,光鏡進行形態學觀察;同時取出睪丸,一部分樣品經甲醛固定,石蠟包埋, 染色后光鏡觀察;另一部分經戊二醛、四氧化鋨再固定,丙酮逐級脫水并包埋,作半薄切片光學定位,超薄切片醋酸鈾及枸椽酸鉛雙重染色,顯微鏡觀察對照組和輻照組的初級次級精母細胞。

  1.6 肌肉組織肌電圖的檢測  

  大鼠用烏拉坦腹腔麻醉,俯臥位固定,于股二頭肌、臀大肌與股外側肌間暴露并游離雙側坐骨神經2 cm 左右(閉孔下0.5~0.8cm至膝上0.5~0.8cm), 用自制雙極電極刺激坐骨神經,電極置入腓腸肌中,用0.2s,電壓為0.8mV的脈沖方波刺激,記錄肌肉復合電位(Compound Muscle Action Potential, CMAP)的潛伏期、波幅大小,取其平均值。

  1.7 大鼠腦電圖的測量和大鼠記憶能力的測試  

  大鼠用烏拉坦腹腔麻醉后,在耳部、兩眼連線的中點和兩耳連線的中點分別插入針電極,記錄腦電圖形態,并計算腦電圖各波頻率所占的相對百分比。并剝離大鼠腦組織,取出其額葉以冷甲醛固定,石蠟切片,采用多次掃描疊加平均,測量大鼠額葉細胞的透射光譜。同時用水迷宮跟蹤分析系統測試大鼠學習記憶能力,在迷宮水池中加入牛奶至乳白色,使大鼠不易憑視覺發現站臺(目標)。實驗之前連續訓練3天,每天2次,訓練方法為讓大鼠在站臺站立2min,然后引導尋找站臺1次,最后自由尋找站臺2min;實驗時,將大鼠從站臺所在象限之外的任一象限邊緣1/2弧度處頭朝池壁放入池中,記錄從入池到找到站臺所需時間參數。

  2 結果

  2.1 本實驗檢測了有無IL-2刺激時實驗組與對照組細胞內STAT3蛋白磷酸化水平   如圖1所示。結果表明,無IL-2刺激時,兩者細胞磷酸化STAT3無明顯差異。 經IL-2誘導后,實驗組和對照組細胞p-STAT3均有增加,但實驗組細胞p-STAT3增加速率高于對照組細胞,兩者p-STAT3含量差異有顯著性(P<0.05)。我們還檢測到IL-2刺激時實驗組和對照組脾臟細胞總蛋白的紅外光譜圖有一定差異, 實驗組出現新的吸收峰,并且主要吸收峰的強度增強。

  2.2   實驗測得的大鼠心電圖各個心電指標   如表1所示。實驗組大鼠與對照組大鼠相比較心動周期延長(P<0.01),心率變短(P<0.01),T波峰峰值加大(P<0.05),T波時程延長(P<0.05),P波時程延長(P<0.05),QRS時程變化不大(P>0.05),QRS峰值變化不大(P>0.05),QT間期變化不大(P>0.05),PR周期變化不大(P>0.05),P波峰值變化不大(P>0.05)。同時,實驗組的大多數生化和血常規指標較對照組都有不同程度的升高,結果如表2所示。其中ALT(谷丙轉氨酶)含量升高較為明顯(P<0.05);實驗組的白細胞數顯著多于對照組的(P<0.01)。我們還檢測到血紅蛋白的紅外光譜圖中部分吸收峰位置有所改變,8個明顯的峰值中有4個峰值發生了頻率的紅移,1個峰值發生了頻率的藍移,其余保持不變。在3200~3500 cm-1范圍內,實驗組新增加5個峰值,并且實驗組吸收峰強度明顯減少(如圖2所示)。
表1   高壓輸電線電磁輻射對大鼠心電參數的影響 (略) 注:P<0.05,#P<0.01 表2   高壓輸電線電磁輻射對大鼠生化及血常規指標的影響 (略) 注:ALT(谷丙轉氨酶)、AST(谷草轉氨酶)、TP(總蛋白)、ALB(白蛋白)、TB(總膽紅素)、DB(直接膽紅素)、IB(間接膽紅素)、CLO(球蛋白)、A/C(白球比)、BUN(尿素氮),*P<0.05;#P<0.01

  2.3  肺、腎組織和大鼠睪丸的顯微結構觀測   得知,實驗組大鼠(25%)肺組織嚴重的異常(如圖3),肺膜表面能見3~5mm灰白結晶,高出表面, 截面灰白,質地中等,均勻。切片觀察發現細支氣管腔內見多量的炎性滲出和一些細菌團; 大部分肺泡腔水腫、出血以及炎細胞滲出,以中性細胞居多。可見多灶性小膿腫形成,肺泡隔毛細血管擴張充血明顯,伴有炎細胞侵入; 部分區域肺組織結構大部分消失,在細支氣管周圍可見大量異型淋巴細胞彌漫浸潤,取代大量正常肺組織細胞; 這些異型淋巴細胞易見凋亡或壞死。同時發現腎組織細胞數無明顯增加,腎小球、腎間質未見明顯差異,腎小球結構清晰,但部分實驗組大鼠腎小球體積略增大,部分腎小管上皮細胞水變性,少數腎小管內可見蛋白管型,間質小細胞充血等。另外,我們還檢測到實驗組大鼠睪丸間質細胞內小血管充血,生精細胞略減少;電鏡下可見部分實驗組大鼠睪丸間質細胞存在線粒體腫脹及染色體邊集現象,有少量精母細胞及精子細胞內線粒體腫脹、嵴變短或消失; 但是,對照組精母細胞的細胞器和細胞核的形態結構基本正常、線粒體及其內部結構清晰可見(如圖4和5所示)。紅外光譜檢測得出實驗組肺組織譜圖出現新的吸收峰且吸收強度明顯減弱; 腎臟組織紅外吸收峰峰位值沒有移動,但是峰強度發生改變; 同時還測出大鼠卵巢和睪丸的紅外吸收光譜的吸收峰位置和峰強度都有一定改變。

  2.4 所測得的大鼠肌肉復合電位(CMAP)的結果 見表3。我們可以看出實驗組大鼠CMAP潛伏期較對照組大鼠差異沒有顯著性,但是其波幅卻較對照組大鼠顯著性降低(P<0.05)。這表明高壓電磁場可能誘發神經組織產生電活動,使神經元去極化和復極化的程度減少,從而降低神經電傳導的能力,使神經興奮性明顯減低。表3   高壓電磁場對大鼠肌電的影響(略) 注:P<0.05

  2.5 大鼠Morris水迷宮成績測試結果   我們檢測到實驗組和對照組大鼠腦電圖的δ、θ、α和β頻段相對功率值差別不是很明顯; 腦組織的紅外吸收譜顯示實驗組在2345.40cm-1附近存在一個新的強吸收峰。水迷宮測試結果顯示實驗組大鼠找到目標的學習記憶時間大于對照組(P<0. 05)(如表4),表明大鼠在高壓輸電線電磁輻射后,學習記憶能力顯著降低。表4   大鼠Morris水迷宮成績測試結果(略)

  3   討論

  高壓輸電線電磁輻射對周圍的人和動物產生的影響及其生物效應一直以來引起人們廣泛的關注。近十多年來相關研究得到一些結果,但整體看來并沒有進行過比較系統的研究和測試。基于上述情況,我們研究了生物系統微觀結構的改變,生物組織電磁特性的變化和由它所產生的生物醫學效應等問題,來探索高壓輸電線電磁輻射對人和動物的影響及其可能的作用機制。本研究結果發現,高壓輸電線電磁輻射通過活化STAT3的磷酸化過程, 從而對JAK-STAT細胞信號轉導途徑產生影響; 結合脾臟細胞總蛋白紅外光譜的改變可推測出,高壓輸電線電磁輻射引起與JAK-STAT途徑相關蛋白質的結構和構象的改變, 進一步影響了STAT3的磷酸化過程。同時,我們得出長時間高壓電磁環境使大鼠心電圖中P波時程顯著延長, 這表明高壓輸電線電磁輻射使興奮由竇房結沿特殊傳導系統(結間束、房室結、希氏束、左右束支及浦肯野氏纖維) 傳到兩側心室肌的過程中,其傳導速度變慢; 同時對大鼠心房肌細胞產生了一定的影響,使T波持續時間延長和峰值顯著增高, 這揭示當心房肌細胞和自律組織細胞因長時間高壓電磁場輻射而產生影響,即處于心肌組織學退化期時,心室肌細胞尚處于功能代償期,甚至許多細胞還處于功能代償性增強期。高壓輸電線電磁輻射也引起了血液系統中血液成分含量變化, 以及大鼠血紅蛋白分子結構的改變; 并且對肺腎和睪丸的組織結構以及學習記憶能力都有作用。由此,我們認識到高壓輸電線的電磁輻射高壓輸電線電磁輻射對大鼠細胞信號轉導過程,血液系統和生殖系統以及學習記憶能力等方面都存在不同程度的影響。

  【參考文獻】

  1 龐小峰.生物電磁學.成都:電子科技大學出版社,2004,45-198.

  2 劉亞寧.電磁生物效應.北京:北京郵電大學出版社,2002,67-187.

  3 郭鷂,陳景藻.電磁輻射生物效應及其應用.西安:第四軍醫大學出版社,2002,67-112.

  基金項目:國家自然科學基金資助項目(編號:60241002)

  作者單位: 610054 四川成都,電子科技大學生命科學與技術學院生物電磁學和生物電子技術四川省重點實驗室


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