基于磁场刺激的细胞生物效应机理研究

摘要

对生物在电磁场中的生理生化反应的检测是涉及到生物学和电磁学的多学科交叉领域。生物本质由多种元素构成的，体内普遍存在电荷移动，随着电子产业的兴起，电磁波的存在越来越广泛，电磁辐射也越来越密集，因此处于各种电磁场中的生物体必然受到影响。本论文对磁场在多方面多层次的生物效应进行了概述，并分析了磁场激发生物效应的机制，通过实验研究和检测了电磁场对生物体多方面的影响。
　　根据实验需要，本论文设计研制了适合本论文中不同实验要求的磁场刺激器和信号放大装置。一款为能够输出单脉冲和连续脉冲的强磁场刺激器;另外一款为可调控的低强度工频磁场刺激器。本论文还针对生物电信号较弱的特点，设计了动物心电信号放大和采集装置，满足了本论文中生物实验需求。
　　本论文通过对实验动物蟾蜍、家兔、小鼠的开胸在体心脏进行磁场刺激作用，探讨磁场对心肌细胞机能的生物效应。实验对磁场刺激下动物的心率(HR)，心室射血时间(ET)，心肌收缩幅度(△D)等机能进行检测，结果表明，强脉冲磁场刺激能够增强心肌细胞收缩机能，对动物心率也有一定促进作用，但磁场刺激对心率的影响在不同种类的动物中表现不同，存在明显的“窗口效应”。实验结果为磁刺激代替电刺激对心脏复律和除颤提供了实验证据。
　　本论文采用了MTT法、DNA电泳法和流式细胞法检测磁刺激对细胞增殖与凋亡的影响。MTT比色法检测细胞增殖活力，实验结果表明工频磁场刺激具有促进离体细胞增殖率的作用，但工频磁场刺激对细胞增殖的作用是非线性，这一增殖效果与磁场强度及作用时间相关，存在明显“窗口效应”。细胞DNA的琼脂凝胶电泳实验结果中未出现细胞凋亡所特有的梯状谱带。实验采用流式细胞术分析细胞周期分布，细胞凋亡状况。实验结果亦不支持工频磁场对离体细胞凋亡存在明显诱导作用。
　　本论文对辐射敏感蛋白HPRT的核酸序列和氨基酸序列进行了生物信息学研究，在分子水平上讨论了不同物种间HPRT核酸和蛋白的进化同源性，构建了分子进化树。对离体培养细胞进行梯度强度的工频磁场连续刺激，提取各实验组细胞HPRT的cDNA，对该基因序列进行测定分析。将检测结果与Genbank中序列进行比对，比对结果并未发现明显的碱基点突变，说明在本论文所设定的梯度磁场强度与作用时间内，工频磁场刺激具有一定的生物安全性，不会在分子水平令细胞遗传物质产生基因突变。
　　本论文还采用了多种生物学检测方法对人淋巴细胞中端粒酶活性进行检测分析。结果表明:外周血淋巴细胞在被PHA和rhIL-2刺激活化后，端粒酶活性升高，升高的端粒酶活性能够被JAK抑制剂所抑制，提示端粒酶活性的升高依赖JAK信号通路。升高的端粒酶活性是由于hTERT蛋白表达的增高，而hTERT表达增高的原因是由于hTERT的mRNA表达水平升高，实验还表明这些活动都同样依赖于JAK信号通路。本研究深化了对端粒酶活性以及hTERT调控机制的认识。
　　最后，本论文在对以往工作认真总结的基础上，展望了今后的工作，对进一步深入研究进行了规划。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 生物磁学

1．1．1 生物的磁特性

1．1．2 生物磁学的兴起和应用

1．1．3 磁刺激仪的发展与应用

1．1．4 磁刺激与电刺激的比较

1．1．5 常见磁场类型及参数

1．2 磁场刺激引发生物学效应的概述

1．2．1 磁场刺激对心肌机能的影响

1．2．2 磁场刺激对细胞生长的影响

1．2．3 磁场对细胞内遗传物质的影响

1．2．4 磁场对细胞膜离子通道电特性的影响

1．2．5 磁场刺激对细胞内生物大分子物质活性的影响

1．2．6 磁场对细胞形态结构和功能的影响

1．2．7 磁场对不同组织细胞的影响

1．3 影响磁刺激的生物效应的因素

1．3．1 磁场的物理特性

1．3．2 生物对象

1．4 本论文的研究目的和内容

1．5 本章小结

第二章 磁场刺激实验装置的研制

2．1 强脉冲磁场刺激器的研制

2．1．1 电路分析及感应电场的理论计算

2．1．2 感应电场的理论计算

2．1．3 磁场刺激器设计的电路原理和实现方案

2．1．4 磁场刺激器的各模块设计

2．1．5 磁场刺激器的实现

2．2 工频磁场刺激器的设计

2．2．1 工频磁场刺激器装置

2．2．2 实验磁场强度设计

2．3 心电信号放大装置的设计

2．3．1 前置放大器

2．3．2 主放大电路

2．3．3 低通滤波电路

2．3．4 陷波电路

2．3．5 心电信号放大装置测试

2．4 本章小结

第三章 LF-PMFs对心肌细胞机能的影响

3．1 心肌细胞的电生理机制

3．1．1 心动周期与心脏收缩的前后负荷

3．1．2 心肌细胞的类型

3．1．3 心肌细胞的跨膜离子运动与动作电位的关系

3．1．4 心肌细胞的机械收缩与动作电位的关系

3．1．5 心电图各波型与心肌动作电位的关系

3．2 磁刺激作用的基本原理

3．2．1 磁感生电场的作用原理

3．2．2 电复律的能量值

3．2．3 电磁场在人体内的衰减

3．2．4 磁场刺激的安全性

3．3 LF-PMFs对心肌收缩性的影响

3．3．1 实验材料和方法

3．3．2 实验结果

3．4 实验结果分析

3．5 本章小结

第四章 LF-PMFs对细胞增殖和凋亡的影响

4．1 基于LF-PMFs的细胞增殖检测

4．1．1 实验材料

4．1．2 细胞培养

4．1．3 工频磁场刺激

4．1．4 绘制细胞生长曲线

4．1．5 MTT比色实验

4．1．6 统计学分析

4．1．7 实验结果

4．2 基于LF-PMFs的细胞凋亡检测

4．2．1 实验材料

4．2．2 工频磁场刺激

4．2．3 DNA提取和琼脂糖凝胶电泳检测细胞凋亡

4．2．4 流式细胞术分析细胞周期和细胞凋亡

4．2．5 实验结果

4．3 LF-PMFs对细胞增殖和凋亡的实验结果分析

4．4 本章小结

第五章 HPRT基因的生物信息学和LF-PMFs对其影响的研究

5．1 辐射易感基因HPRT基因的生物信息学研究

5．1．1 HPRT基因的辐射敏感性

5．1．2 HPRT基因的生物特性

5．1．3 生物信息学的研究概况

5．1．4 HPRT基因和蛋白序列检索

5．1．5 不同物种间HPRT cDNA和氨基酸序列比对

5．1．6 构建分子进化树

5．1．7 HPRT基因突变的检测方法

5．2 DNA的结构与特性

5．2．1 DNA遗传中心法则

5．2．2 DNA分子的空间结构

5．2．3 PCR技术

5．2．4 DNA测序原理

5．3 实验方法

5．3．1 实验材料

5．3．2 工频磁场刺激

5．3．3 HPRT基因提取

5．4 实验结果

5．4．1 PCR反应后凝胶电泳扫描图

5．4．2 DNA测序结果

5．4．3 HPRT基因序列分析

5．5 DNA测序结果分析

5．6 本章小结

第六章 人外周血淋巴细胞中端粒酶活性激活及其机制的研究

6．1 实验材料

6．1．1 实验细胞

6．1．2 实验试剂与耗材

6．2 实验方法

6．2．1 PBMC的体外刺激培养

6．2．2 细胞周期测定

6．2．3 TRAP方法检测端粒酶活性

6．2．4 Western blot检测

6．2．5 荧光定量PCR

6．3 实验结果

6．3．1 细胞活化过程中的FCM检测

6．3．2 细胞活化过程中的端粒酶活性检测

6．3．3 细胞活化过程中端粒酶催化亚基(hTERT)表达水平的检测

6．3．4 细胞活化过程中hTERT mRNA水平的检测

6．4 分析讨论

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所发表的学术论文