微波輻射致心臟損傷機制與防護研究進展

尹 玥， 張 靜， 彭瑞云

(軍事科學院軍事醫學研究院輻射醫學研究所， 北京 100850)

微波是一種波長范圍為1 mm-1 m，頻率范圍為300 MHz-300 GHz的電磁波。隨著科學技術的快速發展，在軍事領域，微波普遍應用于微波彈、微波炮等高新技術武器中，用于干擾和破壞電子設備，在航母、基站等發揮重要作用。除了大量的作戰人員與技術人員暴露于復雜的微波環境中之外，日常生活中手機等無線設備以及微波爐等家用電器在全球范圍內迅速普及，人們在日常生活中也處在一個復雜的微波輻射場中。 微波輻射的生物學效應已受到社會各界的日益關注。許多研究證實，不同頻率〔1〕、不同強度〔2〕的微波在生物實驗中對不同實驗動物〔3〕的不同組織器官〔4〕可產生不同程度的效應。其中，心臟是微波輻射敏感的靶器官之一，更是維持生命活動的必需器官以及循環系統的動力器官，其功能異?？捎绊懭砀髌鞴傧到y的血液供應。本文就目前檢索到的文獻，對微波輻射后心臟損傷機制及防護進行綜述，為預防、診斷和治療措施的研究奠定基礎。

1 微波輻射致心肌細胞損傷的機制

1.1 微波輻射使心肌細胞發生氧化應激生理狀態下，生物體內自由基的產生與清除處于一種動態平衡，當某種刺激破壞了這種平衡，機體自由基代謝就會異常，產生氧化應激現象。氧化應激發生后，產生大量氧自由基，統稱為活性氧(reactive oxygen species，ROS)。ROS氧化不飽和脂肪酸，生成脂質過氧化物丙二醛(malondialdehyde，MDA)，造成細胞膜流動性降低、通透性增加，導致蛋白質功能改變等損傷〔5〕。 微波輻射通過破壞氧代謝平衡，使ROS升高和超氧化物歧化酶(super oxide dismutase，SOD)降低，造成器官和細胞的損傷，心臟為氧化應激損傷的易感器官。Bahreyni Toossi MH等〔6〕研究頻率為900-1800 MHz的手機輻射對Balb/c母鼠及其子代小鼠的心臟、肝臟等器官氧化還原狀態的影響，結果發現，孕鼠于手機電磁場中每天暴露2 h，持續一個妊娠期(19 d)，可引起母鼠和子代小鼠組織的氧化應激。心臟組織MDA水平升高，總巰基含量(total thiol content，TTG)、SOD和過氧化氫酶(catalase，CAT)的水平降低。表明心臟對氧化應激敏感，且抗氧化酶的活性周期短。因此與其他組織相比，心臟對ROS損傷的抵抗力較差。

1.2 微波輻射啟動心肌細胞的凋亡程序細胞凋亡是生物體為維持內環境穩態，由基因控制的細胞自主性有序死亡。細胞凋亡有嚴格的調控機制，含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3(cysteinyl aspartate specific proteinase-3，caspase-3)介導的信號轉導途徑是細胞凋亡常見的通路。多種生理或病理因素刺激均可導致細胞內caspase活化，caspase-3是凋亡的執行者〔7〕。朱文赫等〔8〕用頻率為2450 MHz的微波輻射Wistar大鼠6 min，輻射后6h檢測心肌細胞凋亡情況，結果顯示，微波輻射可導致大鼠心肌細胞凋亡，且隨著輻射強度增加，凋亡率上升。蛋白質印跡法結果顯示，輻射后心肌細胞內caspase-3蛋白表達量增高，印證了心肌細胞凋亡率增加的實驗結果。

1.3 微波輻射引起心肌細胞線粒體自噬自噬對于維持細胞能量和物質平衡以及內環境的穩態發揮重要作用。研究發現，細胞可通過自噬方式選擇性清除受損或多余的線粒體，稱為線粒體自噬〔9〕。腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine5’-monophosphate-activatedproteinkinase，AMPK)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號通路可感知并聯系細胞能量和代謝活動，以協調細胞合成和降解活動之間的平衡狀態，維持細胞內環境的穩態〔10〕。 微波輻射可通過激活AMPK/mTOR通路，引起大鼠心肌細胞線粒體自噬。張靜等〔11〕通過檢測心臟組織中自噬標志性蛋白LC3II、Beclin1和AMPK/mTOR通路中重要分子表達的變化，研究AMPK/mTOR通路在微波輻射致大鼠心肌細胞線粒體自噬中的變化和調控機制。結果發現，輻射后7 d，大鼠心肌線粒體空化腫脹、甚至破裂，嵴斷裂；Ca2+和ROS含量升高，腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)降低；大鼠心肌細胞自噬標志性蛋白LC3II和Beclin1均升高；大鼠心臟組織中AMPK磷酸化水平升高，mTOR磷酸化水平降低。上述結果證明了微波輻射后心肌細胞線粒體自噬的發生。

1.4 微波輻射致心肌細胞膜蛋白構象的改變蛋白質是生命的物質基礎，研究心肌細胞膜蛋白質分子構象在微波輻射后的變化，對揭示心臟在微波輻射后發生的病理改變有積極意義。 微波輻射可通過改變心肌細胞膜的蛋白質結構，使細胞膜發生穿孔等改變，從而影響細胞內外的物質交流。鄧樺等〔12〕采用頻率為9 GHz、峰值功率密度為950 mW/cm2的脈沖微波，分別輻射原代大鼠心肌細胞30、60和120 s，研究脈沖微波對心肌細胞膜蛋白分子構象和功能的影響。結果發現，輻射使細胞膜脂質結構和磷脂結構構象發生改變，導致細胞膜流動性下降、通透性增高甚至穿孔；蛋白質空間穩定性下降，導致細胞膜功能受損。 微波輻射對蛋白質二級結構損傷明顯，極大影響了心肌細胞膜的穩定性，進而影響細胞功能，可能造成輻射后心肌酶活性增高，細胞內Ca2+、Na+等多種離子外流。但是，心肌細胞膜蛋白種類繁多，數量不一，輻射后膜蛋白的損傷數量以及嚴重程度，目前還沒有相應的文獻報道。因此，通過組學、分子生物學等檢測手段，篩選出微波致心臟損傷的敏感指標，為闡明損傷機制奠定基礎。

2 微波輻射致竇房結損傷機制

竇房結(sinoatrial node，SAN)是哺乳動物心臟傳導系統的重要組成部分，是心臟正常起搏點，其結構和功能狀態對維持心臟正常節律，保證心房、心室收縮和舒張頻率具有重要影響。超極化激活的環核苷酸門控陽離子通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channel，HCN)包括有4種亞型，在體內具有不同的表達模式，其中HCN4主要表達于心臟〔13〕。HCN4激活后產生的起搏電流(If/Ih)是SAN動作電位形成的分子基礎。 研究發現，微波輻射致SAN損傷的病理生理過程是由HCN4的異常表達介導的。劉燕青等〔14〕用功率密度為50 mW/cm2的微波輻射大鼠后，分別于輻射后1 d、7 d、14 d、28 d、3 m和6 m檢測HCN4的表達，發現較假輻射組，輻射后1-28 d表達增加，輻射后3 m和6 m表達減少，與SAN細胞損傷恢復過程基本一致。據此認為，HCN4介導微波輻射后SAN損傷的過程，且HCN4表達增加再減少，與SAN損傷再恢復的過程吻合。 上述研究表明，心臟是微波輻射敏感的靶器官，其中竇房結是微波輻射損傷的主要部位之一〔15〕。因此，可將心臟電傳導功能作為研究微波輻射致心臟損傷的新方向。

3 微波輻射致心臟電生理功能改變的機制

心肌細胞之間的連接方式有縫隙連接(gap junction，GJ)、橋粒(desmosome)和粘著連接(adhering junction)等3種，其中GJ在心肌細胞間電沖動及化學信號傳遞方面起著重要作用〔16〕。GJ通道由分別位于相對細胞膜上的兩個半通道對接而成，半通道則由6個稱為縫隙連接蛋白(connexin，Cx)的穿膜鑲嵌蛋白亞單位圍成六聚體中空結構，它允許離子電流和小分子物質通過。 Cx是心肌細胞GJ的分子基礎，維持心肌細胞電偶聯與機械偶聯正常進行〔17〕。Cx43是心肌中表達量最多的一種，以Cx43為主的低電阻通道在心肌細胞同步收縮過程中發揮調控作用?！?8〕。 Cx表達和分布的變化及功能異?？梢鸺毎悸摷靶呐K節律的異常。有研究表明，上調Cx43磷酸化對心律失常有緩解作用〔19〕。研究發現，心肌Cx43表達量的改變可能是導致閏盤結構改變的重要機制之一。李曉娟等〔20〕采用場強為200 kv/m、脈沖次數為200次、脈沖間隔2 s的電磁脈沖輻射SD大鼠后，發現心肌Cx43表達量減少；心肌閏盤間隙在輻射后即刻至12 h增寬，之后恢復，呈現先增寬后降低的時相性改變。 以往研究中僅見有電磁脈沖輻射后Cx43含量改變導致心肌細胞結構的改變，然而機制尚不明確。由于Cx43是心肌細胞之間電化學偶聯的基礎，且結構改變應與心臟電生理改變結合研究，有助于相關機制的探討。

4 微波輻射致心臟損傷的防護

電磁輻射已被世界衛生組織列為繼空氣、水和噪音污染之后的第四大環境污染源，人類生活在一個由不同波段電磁波復合而成的電磁場中。為了探討低強度微波對人體的影響，有研究通過10年的現場監測以及對接觸微波的作業工人的職業體檢和調查研究，發現雖然微波強度低，但是由于接觸時間較長，接觸組的心率、血壓均高于對照組，心電圖異常率也高于對照組。因此，電磁輻射的防護對于遭受電磁波輻射損傷的人員非常重要〔21〕。防護手段可分為物理防護和醫學防護。

4.1 物理防護物理防護是對微波輻射健康危害最直接的應對措施。對于長期暴露于HPM下的人員來說，物理防護主要是指應用吸波材料或屏蔽材料制成的防護服，吸收或者大幅減弱接收到的電磁波能量，降低電磁輻射對工作人員的傷害。 在屏蔽防護方面，已研制出了具有防微波輻射功能的織物，其中針織和梭織鍍銀纖維織物具有較好的屏蔽效能。葛朝麗等〔22〕通過檢測大鼠的學習記憶功能、檢測海馬組織中氨基酸含量等手段，評價一種新型梭織面料的保護作用。發現該種梭織面料對微波所致的腦組織損傷具有良好的防護作用。通過穿著電磁輻射防護服，可有效保護相關作業人員，減少微波輻射造成的損傷。除此之外，在條件允許的情況下，采用吸波材料對產生微波輻射的儀器設備進行屏蔽，也可有效減少微波輻射對人體的傷害。 綜上，物理防護方法是屏蔽或降低微波輻射的重要防護手段，且被普通民眾廣泛接受。因此，研發屏蔽效能高且便捷舒適的防護面料，是該領域重要的研究方向。

4.2 醫學防護醫學防護主要是指應用藥物對微波輻射的健康危害進行防護。研究表明，多種藥物針對微波損傷有預防和治療作用。 杜欣等〔23〕發現中藥防微波輻射的機制主要為抗氧化、清除自由基、提高機體免疫力、保護免疫系統，促進造血等作用。中藥有效成分有：黃酮類、多糖類、生物堿、酚類和皂苷等。 抗輻靈是一種中藥復方制劑，由黃芪、赤芍、丹參、綠萍等制成，防護機制是其具有體外清除自由基的能力。張雪巖等〔24〕認為抗輻靈可對抗微波輻射心肌損傷引起的心肌酶及Ca2+的紊亂，對心臟具有良好的保護作用。安多霖是由一種強抗輻射植物的提取物以及黃芪、雞血藤等中藥制成。有研究發現，微波輻射可造成心肌細胞損傷，caspase-3表達增強，心肌細胞凋亡；安多霖可下調心肌細胞中caspase-3表達，發揮微波輻射對心肌損傷的保護作用〔25〕。 安多霖還可以通過下調微波輻射誘導的心肌細胞β1-腎上腺素受體(β1-adrenergic receptor，β1-AR)和M2-膽堿能受體(muscarinic type 2 acetylcholine receptors，M2-AchR)的表達，從而保護心臟功能〔26〕。由于微波輻射可造成心臟組織結構損傷，影響傳導組織以及心臟的自主神經系統，導致心肌β1-AR和M2-AchR的表達上調。因此，在輻射后早期聯合應用β1-AR激動劑和M2-AchR阻斷劑進行治療，可減輕高功率微波輻射所造成的損傷〔27〕。 中藥是我國醫學的特色，隨著科技發展，其科學性和先進性越來越被學術界、產業界所重視，其作用范圍和療效有廣闊的探索空間?？馆楈`和安多霖作為中藥復方制劑，具有安全、無副作用的優勢，經過實驗證明，其具有防輻射作用，可作為防護藥物應用于長期暴露于電磁波環境的人群中。 總之，微波輻射損傷的防護主要以物理防護為主，藥物防護為輔。雖然多種抗微波輻射藥物的研究都已取得一定的成果，但仍存在藥物抗輻射機制不明確、影響實驗的因素多、實驗重復性差的問題。

5 展望

綜上，一定條件的微波輻射可引起心臟結構和功能損傷，但不同的研究也有一定的差異，可能與輻射劑量、實驗環境、實驗動物、觀察指標等不同有關。已有研究大多基于單一波段微波輻射損傷效應研究，然而我們所處的電磁場是由不同波段電磁波復合而成的。因此，研究時應考慮模擬現實場景中多個波段的微波復合暴露，這樣更能反映現實條件下微波對生物體的影響，也能使研究更具實用性。 在心臟損傷效應方面，應尋找檢測新方法、新指標，有助于損傷機制的闡明和防治措施的研究。微波輻射造成心臟損傷的機制研究亟待深入：如微波輻射后心肌細胞自噬的發生、氧化應激的發生與線粒體損傷是否有關？線粒體功能紊亂影響Ca2+的失衡在微波輻射致心臟損傷的過程中是否發揮了作用？心肌細胞損傷是否通過Cx43的表達異常影響心肌細胞間通訊，致使細胞電傳導受阻，從而導致心臟電生理改變？ 在防護手段方面，近些年出現許多新材料用于物理防護的研究，并取得突破性進展，但仍需優化材料性能。關于微波輻射損傷藥物的防護和治療，特別是中醫藥抗輻射作用的研究雖然有很大的進展，但還需要深入研究其抗輻射機制以及藥物可能的毒副作用。 總體來看，隨著科學技術的進步和發展，微波輻射的影響也隨之擴大，因此研究微波輻射對心臟損傷機制以及如何防護是非常必要的，且意義深遠。