稳态磁场参数对其生物学效应的影响及其机制研究

摘要

随着科学技术的发展以及磁场在医疗诊断中的广泛应用，人们接触到稳态磁场的机会越来越多，而探索稳态磁场下的生物学效应也成为研究者们日益关注的问题。相对于动态磁场而言，稳态磁场是指磁场强度和方向不随时间变化的磁场，而正因为这种特性，稳态磁场成为科研工作者们研究磁场生物学效应的更好工具。其实，如同温度和气压一样，磁场是一种重要的物理参数，可以对多种物体产生普遍的影响，而影响的程度既与磁场本身的参数有关，又与物体本身的磁化率和磁导率等因素有关。目前有关磁场生物学的研究多集中于磁场强度、磁场梯度等物理参数对细胞和动物的作用，而磁场的另一个参数磁场方向对肿瘤细胞生长的影响以及对荷瘤小鼠影响的研究依然有限，仅有几篇文献报道了不同方向的磁场对小鼠不同器官中的淋巴细胞以及红细胞等会产生不同的影响，这为研究不同方向的磁场对肿瘤细胞的影响提供了一定的理论基础。本人前期的结果也显示，对于不同的贴壁肿瘤细胞系磁场的N极和S极抑制其增殖的效果不同。为了探索是磁场极性不同还是磁场方向不同导致的结果差异性，本人利用不同的磁铁加磁方式检测了大量肿瘤细胞系和非肿瘤细胞系对不同方向磁场的响应，通过细胞计数板统计细胞数目发现磁场方向不同是导致贴壁肿瘤细胞增殖抑制效果不同的原因，并且对于大部分贴壁肿瘤细胞而言，方向向上的磁场具有更好的肿瘤增殖抑制作用，而对于悬浮的肿瘤细胞系而言磁场方向不是其增殖受到抑制的原因。同时发现无论何种方向的稳态磁场几乎不抑制非肿瘤细胞的生长，甚至对于某些非肿瘤细胞还具有促进增殖的效应;在动物实验中，通过对比对照组和实验组肿瘤大小、HE染色、Ki67细胞增殖实验等也进一步验证了方向向上的磁场对肿瘤具有更好的抑制效果。
　　另一方面，从现有的文献研究中发现，由肽键组成的二级结构α螺旋等赋予了蛋白质的抗磁各向异性，使蛋白质具有感应磁场的特性，而且现有的文献研究也表明稳态磁场可以使组织结构排列良好的微管蛋白分子组成的微管发生重新排列，而关于磁场通过影响某些特定的感磁蛋白来抑制肿瘤生长的研究依然很少，但是关于蛋白抗磁各向异性的研究为本课题研究磁场通过影响蛋白而达到抑瘤作用的研究提供了理论依据。课题组之前的研究发现，酪氨酸蛋白激酶家族的EGFR蛋白具有很强的抗磁各向异性，通过液相扫描电镜(SEM)检测发现0.4T稳态磁场可以使纯化的EGFR激酶区蛋白的排列方向在溶液中发生改变，而c-KIT蛋白与EGFR蛋白同属于酪氨酸蛋白激酶家族的成员，两者不仅在蛋白构象上具有相似性，而且两者还是很多肿瘤疾病的药物靶点，因此，研究稳态磁场与c-KIT蛋白的关系对达到无痛治疗肿瘤具有十分重要的意义。前期的体外磷酸化实验表明，稳态磁场可以抑制纯化的c-KIT激酶区蛋白的自体磷酸化。在高表达c-KIT的GIST-T1和GIST-882细胞中，本人发现方向向上的0.5T稳态磁场可以抑制这些肿瘤细胞的增殖，而方向向下的磁场抑制效果并不明显，Western Blot实验也表明，方向向上的曝磁组细胞内的c-KIT磷酸化程度受到了抑制，这进一步验证了之前磁场方向不同导致贴壁细胞抑制结果不同的结论。接下来进行了荷瘤小鼠的加磁实验，以伊马替尼治疗作为阳性对照组，实验结果也证明，磁场方向向上的实验组肿瘤生长明显被抑制，而磁场方向向下的实验组肿瘤抑制程度不明显，肿瘤组织的Ki67免疫组化结果也进一步证明了方向向上的磁场比方向向下的磁场具有更好的肿瘤抑制效果，而且Western Blot的结果显示方向向上的磁场组肿瘤组织内的c-KIT磷酸化与阳性对照组一样被抑制，这些结果均表明稳态磁场通过抑制c-KIT的磷酸化进一步抑制了肿瘤细胞的增殖，其中，磁场方向在其中也起到了重要的作用。
　　而且，随着应用于医疗诊断仪器中磁场强度越来越高，磁场安全问题也日益受到大众的关注，例如，医院内进行医学成像的核磁共振扫描仪(MRI)的磁场强度普遍在1.5T-3T之间，而更高场强的7T和9.4TMRI已经用于临床前的人体实验，20T以上的超强磁场MRI也在研究中，并且已经在小鼠脑部扫描成像中取得了高分辨率的组织图像。基于此种现状，依托中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心的大科学装置，初步探索了24.5T稳态超强磁场的安全问题以及对肿瘤的抑制作用。本课题采取间隔加磁的方式（间隔3天），每次加磁三小时，加磁三次后正常喂养一周。通过每天观察加磁前后小鼠的精神状态、测量肿瘤尺寸大小以及分析血常规和生化检测结果，发现24.5T超强磁场对肿瘤具有一定的抑制效果，同时还发现24.5T超强磁场并没有对小鼠的肝功能、肾功能和脂质、离子代谢等造成显著性损伤，暗示着在一定暴磁时间内超强磁场并不会对小鼠的生命体征造成危害，其具有相对的安全性。
　　综上所述，我的研究主要阐明了磁场方向也是磁场抑制肿瘤生长的重要因素之一，并且发现磁场通过调控c-KIT蛋白的激酶活性来抑制肿瘤增殖可能是磁场抑制肿瘤生长的潜在机制，同时，也证明了在一定时间内接触超强磁场是相对安全的，这为超强磁场MRI的临床应用提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论(稳态磁场进展及安全性概述)

1．1 稳态磁场相关概念

1．1．1 磁场的分类

1．1．2 均匀磁场和非均匀磁场

1．1．3 磁极与磁场方向

1．2 稳态磁场的细胞生物学效应

1．2．1 细胞取向

1．2．2 细胞增殖

1．2．3 微管和纺锤体

1．2．4 对细胞的其他影响

1．3 影响稳态强磁场细胞生物学效应的多种因素

1．3．1 磁场强度

1．3．2 细胞类型

1．3．3 其他原因

1．3．4 小结

1．4 稳态磁场安全性概述

1．4．1 磁场与细胞

1．4．2 磁场与动物

1．4．3 磁场与人类安全

1．5 稳态磁场在生物学研究中的研究意义

第2章 不同方向磁场对不同肿瘤细胞的影响

2．1 引言

2．2 实验结果

2．2．1 不同方向的磁场影响细胞增殖的发现过程

2．2．2 不同加磁方式对贴壁肿瘤细胞和贴壁非肿瘤细胞的影响

2．2．3 磁场方向对悬浮细胞的增殖无影响

2．2．4 不同方向的磁场对小鼠皮下移植瘤的增殖抑制不同

2．2．5 不同方向磁场抑制肿瘤生长的潜在机制探索

2．3 结果分析和讨论

2．4 实验材料和方法

2．4．1 细胞系

2．4．2 主要试剂和仪器

2．4．3 实验方法

第3章 稳态磁场通过调节c-KIT激酶活性抑制肿瘤生长的机制研究

3．1 引言

3．2 实验结果

3．2．1 稳态磁场对纯化的c-KIT激酶蛋白体外自磷酸化的影响

3．2．2 稳态磁场抑制高表达c-KIT肿瘤细胞增殖

3．2．3 0．5 T磁场抑制GIST-T1小鼠皮下移植瘤的生长

3．2．4 9 T强磁场抑制胃肠间质瘤GIST-T1生长

3．2．5 磁场通过影响c-KIT抑制肿瘤生长的机制探索

3．3 结果分析和讨论

3．4 实验材料和方法

3．4．1 细胞系

3．4．2 主要试剂和仪器

3．4．4 纯化的c-KIT激酶区蛋白体外自磷酸化实验

3．4．5 高表达c-KIT的BaF3功能细胞系构建

3．4．6 细胞周期检测

3．4．7 统计学分析

第4章 24．5 T强磁场对肿瘤生长的影响及其安全性初步探索

4．1 引言

4．2 实验结果

4．2．1 25T水冷磁体装置及小鼠加磁装置简介

4．2．2 不同强度的强磁场抑制肿瘤生长

4．2．3 不同强度的强磁场抑制小鼠食物和水量的摄入

4．2．4 不同强度的强磁场处理小鼠后血常规分析

4．2．5 不同强度的强磁场对小鼠肝功能、肾功能、无机盐离子浓度和脂质代谢的影响

4．3 结果分析和讨论

4．4 实验材料和方法

4．4．1 细胞系

4．4．2 仪器

4．4．3 方法

4．4．4 统计学分析

结论与展望

参考文献

附录 缩略词表

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果