田小飛 張欣

1)(中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,強(qiáng)磁場科學(xué)中心,合肥 230031)

2)(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230036)

(2018年3月2日收到;2018年4月8日收到修改稿)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場在醫(yī)療診斷中的廣泛應(yīng)用,人們接觸到1 T以上穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場的機(jī)會越來越多,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場對人體健康的潛在影響也備受關(guān)注.雖然目前由于實驗條件的限制,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場對動物以及人體的研究報道依然有限,但是細(xì)胞作為生物體的基本單位,其研究相對較多.然而由于實驗中磁場參數(shù)、細(xì)胞類型等各種因素的不同,使得穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場對細(xì)胞的影響在不同的研究中存在著差異.因此,本文不僅總結(jié)和分析了國內(nèi)外1 T以上穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的相關(guān)研究,包括細(xì)胞取向、增殖、微管和紡錘體等,而且對現(xiàn)有研究結(jié)果進(jìn)行比較和概括,并對可能造成實驗差異的因素進(jìn)行分析,例如磁場強(qiáng)度和細(xì)胞類型等,從而為下一步研究穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場下的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)提供基礎(chǔ)和依據(jù).

1 引 言

根據(jù)磁場強(qiáng)度和方向與時間的變化關(guān)系,磁場可以分為穩(wěn)態(tài)磁場和動態(tài)磁場.穩(wěn)態(tài)磁場是指磁場強(qiáng)度和方向不隨時間變化的磁場,例如眾所周知的較微弱的地磁場以及永磁鐵周圍所產(chǎn)生的不均勻磁場[1];而磁場強(qiáng)度和方向隨時間變化的磁場被稱為動態(tài)磁場,例如生活中50 Hz輸電線產(chǎn)生的低頻交變磁場和手機(jī)等產(chǎn)生的射頻磁場等.其中,根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的不同,穩(wěn)態(tài)磁場又可以進(jìn)行進(jìn)一步地劃分,并且在不同領(lǐng)域中的具體劃分有所不同.例如,在物理領(lǐng)域,一般10 T及其以上的磁場才被稱為強(qiáng)磁場,而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,1 T及其以上的磁場就可以被稱為強(qiáng)磁場.對于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,磁場根據(jù)其強(qiáng)度可以分為弱磁場(小于1 mT)、中等磁場(1 mT—1 T)、強(qiáng)(高)磁場(1—20 T)和超強(qiáng)(高)磁場(20 T及以上).目前,醫(yī)院內(nèi)普遍使用的核磁共振掃描儀(MRI)的主體部分產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度一般在0.5—3.0 T之間,我國醫(yī)院內(nèi)的MRI一般是1.5 T或者3.0 T.與此同時,7.0 T的高場MRI已經(jīng)被批準(zhǔn)使用于臨床,而9.4 T的MRI也已經(jīng)進(jìn)入臨床前實驗階段[2?4].由于磁場強(qiáng)度的升高可以提高成像分辨率和信噪比,因此人們在不斷地提高M(jìn)RI的磁場強(qiáng)度.最近的一篇綜述總結(jié)了近幾年來人們建造并應(yīng)用于動物研究的高達(dá)14—20 T的MRI[5].

為了對大眾日益關(guān)注的磁場安全問題提供理論和實驗依據(jù),以及進(jìn)一步探索磁場在生物醫(yī)學(xué)中的潛在應(yīng)用,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場下的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)研究十分必要.現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)顯示,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場不僅可以改變細(xì)胞的取向,影響細(xì)胞的形態(tài),并且對細(xì)胞的增殖、凋亡、有絲分裂等細(xì)胞行為均有不同程度的影響,然而由于磁場強(qiáng)度、曝磁時間、細(xì)胞類型和細(xì)胞密度等實驗條件的不同,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場對細(xì)胞行為的影響往往存在一定程度的差異.因此,本文旨在總結(jié)國內(nèi)外該領(lǐng)域的相關(guān)研究進(jìn)展,對1 T及其以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行概括,并對造成實驗結(jié)果差異性的可能因素進(jìn)行分析,以期為今后穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場下的細(xì)胞生物學(xué)研究提供基礎(chǔ)和借鑒.

2 穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)

相對于動態(tài)磁場而言,穩(wěn)態(tài)磁場較少的可變參數(shù)使其成為科學(xué)研究的重要工具.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和需求,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(以下簡稱“強(qiáng)磁場”)應(yīng)運而生,而探索強(qiáng)磁場下的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)也引起了研究者日益增多的關(guān)注.從細(xì)胞分子水平看,細(xì)胞內(nèi)的很多內(nèi)容物和生物大分子均能夠響應(yīng)強(qiáng)磁場,例如早在1978年和1979年的兩篇《PNAS》文章中,Worcester[6]和Pauling[7]就提出了肽鍵本身,以及由肽鍵構(gòu)成的特定規(guī)律性結(jié)構(gòu)(例如α螺旋等)賦予了蛋白質(zhì)的抗磁各向異性,如圖1(a)—(c)所示;而由組織結(jié)構(gòu)良好的微管蛋白構(gòu)成的微管也表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗磁各向異性,如圖1(d)所示[8,9].最近,Zablotskii等[10]又從理論水平上計算分析了高梯度磁場(空間上不均勻的穩(wěn)態(tài)磁場)對生物樣品的作用,并指出不同的細(xì)胞內(nèi)容物具有不同的磁化率,對于特定細(xì)胞的確切影響需要具體分析(圖2).此外,從細(xì)胞整體水平看,強(qiáng)磁場能夠不同程度地影響一些細(xì)胞的形態(tài)[11]、取向[12]、增殖[13,14]和凋亡[15,16]等.但由于強(qiáng)磁場對細(xì)胞的生物學(xué)影響不僅與磁場本身的強(qiáng)度、梯度和方向等各種參數(shù)以及細(xì)胞類型相關(guān),并且與曝磁時間和方式等各種實驗條件相關(guān),所以目前有關(guān)強(qiáng)磁場對細(xì)胞影響的研究結(jié)果差異較大,結(jié)論也不統(tǒng)一.因此,本文從強(qiáng)磁場對細(xì)胞取向、形態(tài)以及增殖和凋亡等生物學(xué)效應(yīng)方面討論強(qiáng)磁場對細(xì)胞的影響,并從磁場參數(shù)和細(xì)胞類型等方面綜合分析造成實驗差異性的可能因素.

圖1 生物結(jié)構(gòu)中的抗磁各向異性 (a)α-螺旋中存在的平面肽鍵使其具有較大的抗磁各向異性;(b)和(c)顯示螺旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁矢量(磁矩);(d)微管分子中肽鍵沿著α-螺旋軸向平行排列,然后被組裝成環(huán)形結(jié)構(gòu),從而增加了磁各向異性的量級,即在外磁場B中產(chǎn)生的抗磁場B′是每個分子抗磁場的總和(圖片摘自文獻(xiàn)[9].版權(quán)?2016 Published by Elsevier Ltd)Fig.1.Diamagnetism anisotropy in biological structures:(a)Planar peptide bonds present in α-helix give it large diamagnetic anisotropy;(b)and(c)show the magnetic vector generated by the helical structures;(d)in microtubules,the parallel alignment of the peptide bonds with the α-helix axis and their assembly internally to the circular structure increase the magnitude of the magnetic anisotropy as a summation of each secondary magnetic fields B′(Figure is reprinted from Ref.[9].Copyright?2016 Published by Elsevier Ltd).

2.1 細(xì)胞取向

細(xì)胞在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場中的取向改變是穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)中研究最多的問題之一.由于細(xì)胞內(nèi)生物大分子的抗磁各向異性,往往會導(dǎo)致細(xì)胞平行或者垂直于磁場排列.然而對于一種特定細(xì)胞,其是否會被強(qiáng)磁場改變?nèi)∠?如何改變?nèi)∠?以及所需磁場強(qiáng)度等,是由多方面因素所決定,例如,細(xì)胞形狀、內(nèi)部組成以及外部環(huán)境等.

目前,已有多項研究發(fā)現(xiàn)多種細(xì)胞可以平行于外加強(qiáng)磁場的方向排列.例如,1993年,Higashi等[17]研究發(fā)現(xiàn)8 T強(qiáng)磁場會影響正常紅細(xì)胞在磁場中的取向,使紅細(xì)胞的圓盤平面平行于磁場排列(圖3[18]);在隨后的研究中,他們發(fā)現(xiàn)包括跨膜蛋白和脂質(zhì)雙分子層在內(nèi)的細(xì)胞膜成分可能是造成紅細(xì)胞在磁場中取向變化的主要原因[19],而與細(xì)胞膜結(jié)合的高鐵血紅蛋白的順磁性在其中起到了重要的作用[20,21].

強(qiáng)磁場除了可以影響正常紅細(xì)胞的排列,也會使其他一些細(xì)胞平行于磁場方向排列,如成骨細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和施萬細(xì)胞等.例如,Kotani等[22,23]在2000年和2001年的報道表明,8 T強(qiáng)磁場不僅能使成骨細(xì)胞平行于磁場方向排列,而且會使成骨細(xì)胞沿著磁場的方向生長.2001年,Umeno等[12]利用8 T強(qiáng)磁場處理平滑肌細(xì)胞3 d,發(fā)現(xiàn)平滑肌細(xì)胞也會沿著磁場方向排列.2003年,Iwasaka等[11]發(fā)現(xiàn)14 T強(qiáng)磁場處理平滑肌細(xì)胞60 h后不僅使平滑肌細(xì)胞沿著磁場方向生長,而且3d后觀察到細(xì)胞集落也沿著磁場方向延伸.同年,Eguchi等[24,25]發(fā)現(xiàn)8 T強(qiáng)磁場在處理施萬細(xì)胞60 h后也能使其平行于磁場方向排列,并且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),小分子鳥苷三磷酸酶(GTPase)Rho蛋白激酶抑制劑可以抑制施萬細(xì)胞在8 T強(qiáng)磁場中的重新排布,表明強(qiáng)磁場誘導(dǎo)施萬細(xì)胞的重新排布是依賴于Rho蛋白調(diào)節(jié)肌動蛋白纖維實現(xiàn)的.2012年,Sakurai等[26]發(fā)現(xiàn)鼠源的成肌細(xì)胞C2C12暴露在6 T和10 T強(qiáng)磁場下6 d,細(xì)胞會沿著磁場方向分化為肌管,但是3 T的強(qiáng)磁場卻沒有此種效應(yīng),說明存在磁場強(qiáng)度依賴的現(xiàn)象.

圖2 高梯度磁場(HGMFs)和胞內(nèi)效應(yīng)物的潛在作用示意圖(圖片摘自文獻(xiàn)[10].版權(quán)?2016,Zablotskii.)Fig.2.A schematic illustration of the possible applications of high gradient magnetic fields(HGMFs)and intracellular effectors(Figure is reprinted from Ref.[10].Copyright?2016,the Authors).

圖3 紅細(xì)胞被8 T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場平行排列 (a)處于8 T穩(wěn)態(tài)磁場中的紅細(xì)胞,磁場方向垂直于紙面;(b)無外加磁場下的紅細(xì)胞(該示意圖摘自專著[18],基于文獻(xiàn)[17]實驗結(jié)果)Fig.3.Red blood cells were aligned by an 8 T SMF(static magnetic field):(a)Red blood cells in an 8 T SMF,the field direction was perpendicular to the paper;(b)red blood cells in control condition,with no SMF(Figure is reprinted from Ref.[18],which was drawn based on results from Ref.[17]).

強(qiáng)磁場不僅能使細(xì)胞平行于磁場方向排列,也可以使一些特定的細(xì)胞垂直于磁場排列.例如,2003年,Emura等[27]發(fā)現(xiàn)1.7 T的強(qiáng)磁場可以使整個公牛精子和精子頭部均垂直于磁場方向排列.而且,在外加抗磁性膠原纖維的影響下,原本對磁場不敏感的人腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞A172細(xì)胞也可以隨著膠原纖維而垂直于強(qiáng)磁場排列,而原本平行于磁場排列的成骨細(xì)胞也隨著膠原纖維而垂直于強(qiáng)磁場排列[24,28].但是對于多種形狀無明顯各向異性的細(xì)胞,其取向并不會被強(qiáng)磁場影響,更多信息可參見表1以及磁場生物學(xué)效應(yīng)書中的第四章[18,29].

表1 不同研究中穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場導(dǎo)致的細(xì)胞取向變化;藍(lán)色代表強(qiáng)磁場誘導(dǎo)細(xì)胞或組分平行于磁場方向排布;橘黃色代表強(qiáng)磁場誘導(dǎo)細(xì)胞或組分垂直于磁場方向排布;灰色代表強(qiáng)磁場對細(xì)胞取向無影響Table1.SMF-induced cell orientation in Different studies:blue color indicates that SMF induces cells to align along the field direction;orange color indicates that SMF induces cells to align perpendicular to the field direction.Grey color indicates that SMF does not affect cell orientation.

2.2 細(xì)胞增殖

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場對細(xì)胞增殖的影響與磁場強(qiáng)度、細(xì)胞類型和細(xì)胞狀態(tài)等因素密切相關(guān).多項證據(jù)表明,強(qiáng)磁場對多種腫瘤細(xì)胞的增殖有抑制作用,而對非腫瘤細(xì)胞影響相對較小.除此之外,強(qiáng)磁場還會影響成骨、破骨和軟骨細(xì)胞的增殖,以及一些神經(jīng)和胚胎細(xì)胞的增殖.

不少研究表明強(qiáng)磁場可以抑制多種細(xì)胞的增殖.1996年,Raylman等[32]發(fā)現(xiàn)7 T強(qiáng)磁場作用64 h能減緩黑色素瘤細(xì)胞(HTB63),卵巢癌細(xì)胞(HTB77IP3)以及淋巴瘤細(xì)胞系(CCL86)的增殖.2008年,Hsieh等[15]發(fā)現(xiàn)3 T強(qiáng)磁場抑制體外培養(yǎng)的人軟骨細(xì)胞的生長,可能與強(qiáng)磁場誘導(dǎo)凋亡蛋白P53,P21,P27以及Bax的表達(dá)有關(guān).2015年,我們課題組發(fā)現(xiàn)EGFR/AKT/mTOR信號通路參與了強(qiáng)磁場抑制腫瘤增殖的過程[33],9 T強(qiáng)磁場處理CNE-2Z和HCT116腫瘤細(xì)胞可以在3 d明顯抑制其增殖[13](圖4);2016年,我們課題組[13]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場直接改變EGFR激酶結(jié)構(gòu)域蛋白的排列方向可能是強(qiáng)磁場抑制CNE-2Z和HCT116等腫瘤細(xì)胞增殖的主要原因,同年,我們發(fā)現(xiàn)1 T穩(wěn)態(tài)磁場處理同步化的HeLa細(xì)胞3 d也能明顯抑制HeLa細(xì)胞的增殖,進(jìn)一步的細(xì)胞周期實驗證明,強(qiáng)磁場導(dǎo)致同步化的HeLa細(xì)胞有絲分裂發(fā)生阻滯,進(jìn)而減少了細(xì)胞數(shù)目[34].

然而,也有一些研究報道強(qiáng)磁場并不影響特定細(xì)胞的增殖.例如,Short等[35]在1992年研究發(fā)現(xiàn),2.0 T和4.7 T強(qiáng)磁場處理人惡性黑色素瘤細(xì)胞和人正常纖維細(xì)胞24—72 h,并未影響細(xì)胞的增殖和活力.2002年,Nakahara等[36]發(fā)現(xiàn)10 T強(qiáng)磁場處理中國倉鼠卵巢細(xì)胞4 d后,也不影響其增殖.2005年,Gao等[37]將希瓦氏菌MR-1暴露在由核磁共振儀(NMR)產(chǎn)生的14.1 T的強(qiáng)磁場中12 h,發(fā)現(xiàn)磁場也不會影響希瓦氏菌MR-1的菌落生長.2012年,Sakurai等[26]也發(fā)現(xiàn)鼠源的成肌細(xì)胞C2C12暴露在3,6 T和10 T強(qiáng)磁場下6 d均不會影響細(xì)胞的增殖.此外,2015年,Reddig等[38]發(fā)現(xiàn)無論是7 T強(qiáng)磁場單獨作用還是與不同梯度磁場聯(lián)合作用均沒有影響未分化的單核血細(xì)胞的增殖.最近,Iachininoto等[39]研究了1.5 T和3.0 T梯度磁場對人造血干細(xì)胞的影響,發(fā)現(xiàn)磁場處理72 h后,人造血干細(xì)胞增殖并沒有明顯的變化.由此可見,由于不同細(xì)胞之間的內(nèi)部組成和性質(zhì)有著巨大的差異,因此,穩(wěn)態(tài)磁場對細(xì)胞增殖的影響可能與細(xì)胞的類型密切相關(guān).

圖4 人鼻咽癌細(xì)胞CNE-2Z和人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116的細(xì)胞增殖被穩(wěn)態(tài)磁場抑制(圖片摘自文獻(xiàn)[13].開源期刊)Fig.4.Human nasopharyngeal cancer CNE-2Z and colon cancer HCT116 cell proliferation could be inhibited by SMFs(Figure is reprinted from Ref.[13].Open access).

2.3 微管和紡錘體

早在20世紀(jì)80年代,人們就發(fā)現(xiàn)體外純化的微管是穩(wěn)態(tài)磁場的一個作用靶點,在強(qiáng)磁場作用下,微管會沿著磁場方向排列[40],并在隨后的幾十年中被進(jìn)一步證實[41,42].微管是細(xì)胞內(nèi)紡錘體的基本單位,紡錘體的排列方向是決定細(xì)胞分裂方向的主要因素,也是決定胚胎發(fā)育和腫瘤發(fā)生等多種生理病理過程的關(guān)鍵步驟.那么細(xì)胞內(nèi)的微管和紡錘體是否會和體外純化的微管一樣受磁場影響呢?其實,早在1998年,Denegre等[43]便發(fā)現(xiàn)了16.7 T的大梯度強(qiáng)磁場能夠影響非洲爪蛙卵的分裂方向(圖5),并且8 T強(qiáng)磁場也可以改變蛙胚卵裂過程的卵裂面形成[44].后來在2002年,Valles[45]從理論上推測了強(qiáng)磁場可能會影響微管/紡錘體的排布,并于同年進(jìn)行了實驗證實[46].因此,對于非洲爪蛙卵而言,強(qiáng)磁場可以通過改變微管的取向而改變整個細(xì)胞紡錘體以及細(xì)胞分裂的方向.

對于人體細(xì)胞而言,近年來也有一系列的研究發(fā)現(xiàn),強(qiáng)磁場可以改變其微管和紡錘體.2005年,Valiron等[47]將人成纖維NIH-3T3細(xì)胞暴露于7—17 T強(qiáng)磁場中1 h發(fā)現(xiàn),處于間期中的細(xì)胞內(nèi)微管和微絲的排列發(fā)生了紊亂.2015年,我們課題組發(fā)現(xiàn)1 T磁場處理HeLa細(xì)胞7 d后,有絲分裂異常紡錘體數(shù)目和有絲分裂指數(shù)(處于有絲分裂期細(xì)胞的百分比)均增加,而且這種現(xiàn)象與時間有關(guān)[34].而在2017年,我們課題組發(fā)現(xiàn)1 T磁場處理人鼻咽癌細(xì)胞CNE-2Z和人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞RPE1 3 d或者27 T強(qiáng)磁場處理4 h,均未發(fā)現(xiàn)間期內(nèi)細(xì)胞(非分裂狀態(tài))的微管有異常,這可能與磁場作用的時間和細(xì)胞類型有關(guān).然而非常有趣的是,我們發(fā)現(xiàn)CNE-2Z和RPE1細(xì)胞分裂期內(nèi)的紡錘體方向卻能被27 T強(qiáng)磁場作用4 h后就發(fā)生改變,并且紡錘體的取向由微管和染色體共同決定[48].

圖5 平行于卵軸的穩(wěn)態(tài)磁場中的第三卵裂溝隨磁場強(qiáng)度增高的變化俯視圖(a),(c),(e),(g),(i)和平視圖(b),(d),(f),(h),(j)展示了卵軸方向磁場中的八細(xì)胞胚胎,顯示了其第三卵裂方向的變化;(k)每個胚胎中水平第三卵裂溝的平均數(shù)與磁場強(qiáng)度的關(guān)系(圖片摘自文獻(xiàn)[43].版權(quán)?1998,National Academy of Sciences,USA)Fig.5.Changes of the third cleavage parallelling to the egg axis with the increasing intensity of SMF.Top(a),(c),(e),(g),(i)and side(b),(d),(f),(h),(j)views of eight-cell embryos in SMF from the egg axis direction,showing the change of third cleavage orientation.(k)the average number of horizontal third cleavages per embryo as a function of field strength(Figure is reprinted from Ref.[43].Copyright?1998,National Academy of Sciences,USA).

因此,強(qiáng)磁場可以改變細(xì)胞內(nèi)微管和紡錘體的排列方向,這可能是磁場誘導(dǎo)細(xì)胞分裂發(fā)生改變的根本原因,也是其導(dǎo)致多種細(xì)胞數(shù)目減少,以及誘導(dǎo)胚胎發(fā)育過程變化的主要原因之一.

2.4 強(qiáng)磁場的其他影響

有研究表明,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場對細(xì)胞形狀的改變具有一定的差異性.例如,1992年,Sato等[49]用1.5 T磁場處理HeLa細(xì)胞96 h,未發(fā)現(xiàn)細(xì)胞形態(tài)有明顯變化;2003年,Iwasaka等[11]發(fā)現(xiàn)8 T磁場處理大鼠平滑肌細(xì)胞60 h,也不會影響平滑肌細(xì)胞的形狀,然而,將大鼠的平滑肌細(xì)胞分別置于12 T和14 T的強(qiáng)磁場中60 h后,發(fā)現(xiàn)12 T和14 T強(qiáng)磁場不僅影響平滑肌細(xì)胞的組裝形態(tài),而且會誘導(dǎo)細(xì)胞集落沿著磁場方向生長.而磁場若與磁性納米顆粒聯(lián)合使用,1 T穩(wěn)態(tài)磁場就能加劇細(xì)胞形態(tài)的變化.例如,2016年,Muroski等[50]和Cheng等[51]的研究發(fā)現(xiàn),在無外加磁場的情況下,可旋轉(zhuǎn)的圓盤狀磁性粒子本身并未對神經(jīng)膠質(zhì)瘤U87細(xì)胞的形態(tài)產(chǎn)生顯著性影響,但是在1 T、20 Hz極低頻旋轉(zhuǎn)磁場作用下,內(nèi)化的磁性粒子會產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械力,從而破壞細(xì)胞膜,導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變,進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡.同年,Hapuarachchige等[52]將帶有磁性氧化鐵納米粒子標(biāo)簽的乳腺癌MDAMB-231細(xì)胞置于由9.4 T MRI產(chǎn)生的梯度磁場中發(fā)現(xiàn),內(nèi)化的磁性氧化鐵納米粒子在梯度磁場產(chǎn)生的機(jī)械力的作用下也會使乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞形態(tài)發(fā)生明顯改變進(jìn)而誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞死亡.不僅如此,磁性納米顆粒在磁場的作用下產(chǎn)生的機(jī)械力還可以進(jìn)一步刺激細(xì)胞的分化[53,54].

另外,少數(shù)研究報道表明強(qiáng)磁場與DNA的損傷和突變有關(guān).例如,2004年,Takashima等[55]用0—14 T不同梯度強(qiáng)磁場處理果蠅24 h,發(fā)現(xiàn)DNA復(fù)制修復(fù)缺陷型果蠅體細(xì)胞重組頻率顯著上升,而核苷酸切除修復(fù)缺陷型果蠅和DNA修復(fù)完整型果蠅曝磁后的體細(xì)胞重組頻率無明顯變化,而且在用0.5—2.0 T磁場處理果蠅期間,發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)磁場對DNA的損傷程度呈現(xiàn)場強(qiáng)依賴的關(guān)系,但是超過2 T場強(qiáng)后直到14 T場強(qiáng)DNA的損傷程度未再增加.然而,目前大多數(shù)研究卻表明強(qiáng)磁場不會誘導(dǎo)DNA的損傷.例如,2007年,Schwenzer等[56]將人白血病細(xì)胞HL-60和人急性骨髓白血病細(xì)胞KG-1a置于3 T強(qiáng)磁場中2 h,發(fā)現(xiàn)3 T強(qiáng)磁場并不能誘導(dǎo)HL-60和KG-1a兩種細(xì)胞的DNA雙鍵的斷裂,對DNA的完整性也沒有影響.同樣,2015年,Redding等[38]將人外周血單核細(xì)胞單獨暴露于7 T強(qiáng)磁場中,或置于聯(lián)合不同梯度磁場和脈沖磁場中1 h,發(fā)現(xiàn)無論是單獨的7 T強(qiáng)磁場組還是磁場聯(lián)合組均未發(fā)現(xiàn)細(xì)胞DNA雙鍵的斷裂.次年,Fatahi等[57]也發(fā)現(xiàn)分離的人體淋巴細(xì)胞在7 T強(qiáng)磁場中暴露1—72 h,并未發(fā)現(xiàn)DNA雙鍵的破壞以及細(xì)胞微核率的改變.

除此之外,還有一些研究表明強(qiáng)磁場對細(xì)胞周期的影響也存在差異性.例如,2003年,Schiffer等[58]將HL60和EA2置于MRI產(chǎn)生的1.5 T和7.0 T強(qiáng)磁場中2—24 h,發(fā)現(xiàn)G0/G1期或者G2/M期的細(xì)胞百分比均沒有變化.然而,2010年,Zhao等[59]將同步化的人原發(fā)性皮膚纖維細(xì)胞AG1522置于13 T強(qiáng)磁場中3 h,發(fā)現(xiàn)AG1522細(xì)胞G0/G1期細(xì)胞百分比減少,S期細(xì)胞百分比增加,細(xì)胞周期被改變.2016年,我們課題組也發(fā)現(xiàn)1 T磁場影響同步化的HeLa細(xì)胞周期的改變[34].而在2017年,我們課題組用1 T磁場處理HCT116,CNE-2Z,A549等癌細(xì)胞和RPE1、CHO等正常細(xì)胞2 d,發(fā)現(xiàn)對其細(xì)胞周期均沒有明顯的影響[60].并且,我們將CNE-2Z細(xì)胞置于27 T超強(qiáng)磁場中處理4 h,也未發(fā)現(xiàn)CNE-2Z細(xì)胞周期有明顯的變化.因此,目前的證據(jù)表明,強(qiáng)磁場可以對一些同步化細(xì)胞的周期產(chǎn)生影響.

3 影響穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的多種因素

從以上的結(jié)果來看,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場對細(xì)胞取向、細(xì)胞增殖、微管排列以及細(xì)胞形態(tài)等均有不同程度的影響,然而,由于實驗條件,如磁場強(qiáng)度、細(xì)胞類型的不同或者實驗手段的不同,使得穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場下的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的結(jié)果缺乏一致性.本部分將從磁場強(qiáng)度、細(xì)胞類型以及細(xì)胞密度等方面比較分析造成差異性的多種因素,從而幫助我們更好地理解穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場的細(xì)胞生物效應(yīng).

3.1 磁場強(qiáng)度

多項研究表明,不同磁場強(qiáng)度會導(dǎo)致不同的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng),并且在很多情況下,細(xì)胞效應(yīng)與磁場強(qiáng)度呈正相關(guān).例如,1993年,Higashi等[17]發(fā)現(xiàn)在1 T磁場下紅細(xì)胞的圓盤平面僅有部分平行于磁場方向,而在8 T強(qiáng)磁場下紅細(xì)胞的圓盤平面會100%平行于磁場方向.1998年,Bras等[41]也發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場可以使微管沿著磁場方向排列,而且微管方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度隨著磁場強(qiáng)度(0—11 T)的升高而增加(圖6).2003年,Iwasaka等[11]將平滑肌細(xì)胞置于8,12 T和14 T強(qiáng)磁場中60 h,發(fā)現(xiàn)12 T和14 T強(qiáng)磁場可以改變平滑肌細(xì)胞的形態(tài),而且平滑肌細(xì)胞的集落會沿著磁場方向生長,而在8 T強(qiáng)磁場中未觀察到此種效應(yīng).此外,Prina-Mello等[61]2006年的報道發(fā)現(xiàn),2 T和5 T強(qiáng)磁場處理大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞1 h后,細(xì)胞內(nèi)p-JNK的表達(dá)增加,而0.75 T和1 T磁場組中未發(fā)現(xiàn)此種現(xiàn)象.另外,2012年,Sakurai等[26]發(fā)現(xiàn)鼠源的成肌細(xì)胞C2C12暴露在6 T和10 T強(qiáng)磁場下6 d,細(xì)胞會沿著磁場方向分化為肌管,但是在3 T強(qiáng)磁場下卻沒有此種效應(yīng).2016年,我們課題組對比了1 T和9 T磁場對腫瘤細(xì)胞CNE-2Z和HCT116的影響,加磁3 d后,與對照組相比,發(fā)現(xiàn)1 T磁場組腫瘤細(xì)胞減少了約15%,9 T磁場組腫瘤細(xì)胞減少了約30%,而0.05 T組對細(xì)胞數(shù)目并沒有影響[13].

由上可知,多數(shù)情況下磁場強(qiáng)度越高越能產(chǎn)生更強(qiáng)更明顯的效果,但是,也有一些例外.例如,上文提到的Prina-Mello等[61]發(fā)現(xiàn)較低的0.75 T磁場處理大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞1 h可以引起細(xì)胞內(nèi)的p-ERK水平升高,而1 T,2 T或5 T強(qiáng)磁場處理組卻沒有此種效應(yīng),并且2 T強(qiáng)磁場處理組細(xì)胞內(nèi)p-ERK的水平反而降低.再如,2017年,Yang等[62]分別用500 nT,0.2 T和16 T穩(wěn)態(tài)磁場處理成骨細(xì)胞MC3T3-E1 48 h發(fā)現(xiàn),500 nT和0.2 T磁場通過抑制堿性磷酸酶活性、礦化作用以及鈣沉積抑制成骨細(xì)胞的分化,而16 T強(qiáng)磁場卻能促進(jìn)其分化,而且在成骨細(xì)胞分化的過程中,500 nT處理組鐵水平含量升高,0.2 T處理組鐵水平含量無明顯變化,16 T處理組鐵水平含量降低.

綜上所述,不同的磁場強(qiáng)度在細(xì)胞效應(yīng)方面起著重要的作用,即使對于同一種細(xì)胞不同強(qiáng)度的穩(wěn)態(tài)磁場也可能會產(chǎn)生完全不同的細(xì)胞效應(yīng),但由于細(xì)胞本身就是一個極其復(fù)雜的生命體系,目前還缺乏細(xì)胞與磁場強(qiáng)度一一對應(yīng)的響應(yīng)曲線,所以具體的實驗結(jié)果仍需具體分析.

圖6 不同場強(qiáng)下的微管排列與磁場方向之間的夾角關(guān)系(圖片摘自文獻(xiàn)[41].版權(quán)?1998 The Biophysical Society.Published by Elsevier Inc)Fig.6.Angle between the microtubule arrangement and the magnetic field orientation under Different field strengths.(Figure is reprinted from Ref.[41].Copyright?1998 The Biophysical Society.Published by Elsevier Inc).

3.2 細(xì)胞類型

除了磁場強(qiáng)度以外,由于不同細(xì)胞存在遺傳背景的差異性,以及培養(yǎng)細(xì)胞的活化狀態(tài)、代謝狀態(tài)等不同,使得不同細(xì)胞對于同一條件下磁場的響應(yīng)也存在差異.例如,2004年,Ogiue-Ikeda和Ueno[30]將平滑肌細(xì)胞A7r5(梭形)、人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞GI-1(梭形)和人腎細(xì)胞HEK293(多邊形)置于8 T強(qiáng)磁場中60 h,發(fā)現(xiàn)平滑肌A7r5細(xì)胞和人神經(jīng)膠質(zhì)瘤GI-1細(xì)胞沿著磁場方向排列,而人腎HEK293細(xì)胞卻沒有此響應(yīng),這可能是由于細(xì)胞形狀不同所導(dǎo)致.此外,細(xì)胞類型的不同會導(dǎo)致細(xì)胞對磁場響應(yīng)的快慢也不同,如成骨細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、施萬細(xì)胞等貼壁細(xì)胞在強(qiáng)磁場下通常要處理幾天才能使細(xì)胞沿著磁場方向排列,而紅細(xì)胞等懸浮細(xì)胞在相同磁場下處理幾秒就會發(fā)生抗磁性力矩旋轉(zhuǎn)[17].除此之外,強(qiáng)磁場對細(xì)胞周期的影響也有細(xì)胞依賴性.例如,2010年,Zhao等[59]用13 T強(qiáng)磁場處理中國倉鼠卵巢細(xì)胞(CHO)、DNA雙鏈斷裂修復(fù)缺失突變體XRS-5細(xì)胞和人原發(fā)性皮膚AG1522細(xì)胞3 h,發(fā)現(xiàn)13 T強(qiáng)磁場不影響CHO細(xì)胞和DNA雙鏈斷裂修復(fù)缺失突變體XRS-5細(xì)胞的細(xì)胞周期分布,但是AG1522細(xì)胞的G0/G1期細(xì)胞百分比降低,S期細(xì)胞百分比增加,這表明強(qiáng)磁場可能對原代細(xì)胞周期的影響要大于永生化細(xì)胞.

然而有趣的是,從目前的研究結(jié)果來看,腫瘤細(xì)胞的磁場敏感性似乎高于非腫瘤細(xì)胞.例如,1992年,Short等[35]將人惡性黑色素瘤細(xì)胞PS1273和人正常纖維細(xì)胞DMD-A置于4.7 T強(qiáng)磁場中24,48和72 h,發(fā)現(xiàn)4.7 T強(qiáng)磁場降低了PS1273細(xì)胞的粘附能力,而對正常纖維細(xì)胞卻沒有影響.相似地,2003年,Aldinucci等[63]發(fā)現(xiàn)4.75 T磁場處理人外周血單核細(xì)胞PBMC和Jurkat白血病細(xì)胞24 h和48 h后并未影響PBMC的細(xì)胞增殖,但是卻抑制了Jurkat的增殖.2006年,Ghibelli等[16]也發(fā)現(xiàn)1 T磁場處理3.5 h可以促進(jìn)白血病細(xì)胞U937和Jurkat的凋亡,而對正常外周血單核白細(xì)胞PBML卻沒有影響.最近,我們課題組用9 T強(qiáng)磁場處理人鼻咽癌細(xì)胞CNE-2Z、結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116和CHO 3 d,發(fā)現(xiàn)9 T強(qiáng)磁場明顯抑制CNE-2Z和HCT116的增殖,而對CHO細(xì)胞卻沒有影響[13].

3.3 其他原因影響穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)

除了磁場強(qiáng)度和細(xì)胞類型外,還有一些其他的原因也會影響穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng),例如,細(xì)胞本身所處的狀態(tài).1993年,Higashi等[19]發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞中血紅蛋白的狀態(tài)可以直接影響紅細(xì)胞的磁性,即當(dāng)血紅蛋白處于含氧狀態(tài)時紅細(xì)胞具有抗磁性,而當(dāng)血紅蛋白處于脫氧還原狀態(tài)時紅細(xì)胞具有順磁性.另外,瘧疾感染后不同時期的紅細(xì)胞也會具有不同的磁性.例如,1792年,Hackett等[64]發(fā)現(xiàn)瘧原蟲感染紅細(xì)胞后,可以將大約60%的宿主紅細(xì)胞的血紅蛋白轉(zhuǎn)化為不溶性的瘧原蟲色素,以防止血紅素對細(xì)胞的損傷,而瘧原蟲色素會使感染后的紅細(xì)胞磁化率顯著增加(圖7).

除了細(xì)胞狀態(tài)外,細(xì)胞的生長密度也會影響細(xì)胞對強(qiáng)磁場的響應(yīng).2004年,Ogiue-Ikeda和Ueno[30]用8 T強(qiáng)磁場處理平滑肌細(xì)胞A7r5(梭形)和人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞GI-1(梭形)60 h發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)胞密度處于中等密度和增殖狀態(tài)時,A7r5和GI-1細(xì)胞會沿著磁場方向排列,然而當(dāng)細(xì)胞處于匯合狀態(tài),此時細(xì)胞密度過高并處于非增殖狀態(tài),A7r5和GI-1細(xì)胞便不會沿著磁場方向排列.我們課題組也于2017年發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的鋪板密度在磁場的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)中起著重要的作用.我們用1 T磁場處理HCT116,A431,A549,PC3,MCF7和EJ1多種實體瘤腫瘤細(xì)胞2 d,發(fā)現(xiàn)1 T磁場可以抑制高密度腫瘤細(xì)胞的增殖,而對低密度腫瘤細(xì)胞無明顯影響,這可能與腫瘤細(xì)胞內(nèi)的EGFR-AKT-mTOR信號通路相關(guān)[60].

圖7 瘧原蟲感染的紅細(xì)胞(RBCs)中鐵的磁化率 (a)轉(zhuǎn)化為瘧原蟲色素的細(xì)胞鐵比例vs成熟的寄生蟲密度比例;(b)各種標(biāo)準(zhǔn)品中鐵的摩爾磁化率散點分布:氧合血紅蛋白(Oxy—?),正鐵紅素(h—◢),高鐵血紅蛋白(Met—?)以及瘧疾感染的紅細(xì)胞培養(yǎng)皿中的磁性(Mag—?)和非磁性(Non mag—N)部分(圖片摘自文獻(xiàn)[64].版權(quán)?2008 Elsevier B.V)Fig.7.Magnetic susceptibility of iron in malaria-infected red blood cells(RBCs):(a)Percentage of cellular iron converted to haemozoin vs.mature parasite density;(b)scatter plot of the molar magnetic susceptibility of iron in standard samples of oxyhaemoglobin(Oxy–?),haematin(h–◢),methaemoglobin(Met–?),and for magnetic(Mag–?)and non-magnetic(Non-mag–N)fractions of malaria-infected red cell cultures(Figure is reprinted from Ref.[64].Open access.Copyright?2008 Elsevier B.V).

4 展望與總結(jié)

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場對細(xì)胞的影響是多方面的,除了文中提到的可以影響細(xì)胞取向、細(xì)胞增殖、細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞周期等,還有許多其他方面的影響,譬如基因的表達(dá)[65]、活性氧簇(ROS)的含量[66]、鈣離子通道[16,63]、細(xì)胞遷移[67,68]以及ATP的合成與代謝[69]等.然而目前有關(guān)強(qiáng)磁場對于細(xì)胞各種效應(yīng)的影響大多沒有統(tǒng)一的結(jié)論.究其原因,一方面是由磁場本身參數(shù)不同導(dǎo)致的,包括磁場強(qiáng)度、曝磁位置和曝磁時間等;另一方面是由研究對象不同造成的,例如,細(xì)胞類型(貼壁、懸浮)、細(xì)胞形態(tài)(梭形、多邊形)和細(xì)胞狀態(tài)等因素都會導(dǎo)致細(xì)胞對強(qiáng)磁場的響應(yīng)不同.所以,我們?nèi)孕韪钊氲匮芯科浯嬖诘墓残院筒町愋圆拍芨玫乩斫鈴?qiáng)磁場對不同細(xì)胞造成不同影響的原因,并在此基礎(chǔ)上從物理學(xué)的角度研究生物學(xué)問題[70,71],深入探索強(qiáng)磁場影響細(xì)胞的可能分子機(jī)制,才能為以后強(qiáng)磁場下細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的研究提供理論基礎(chǔ),并為強(qiáng)磁場在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù).