不同强度微波辐射对小鼠脑组织钙、镁ATP酶活性的影响

http://www.100md.com 《中华航空航天医学杂志》 2000年第2期

     作者：赵亚丽 宋锦萍 杨玉华 马洪波 浦京遂

    单位：(100094 北京，航天医学工程研究所)

    关键词：脑组织；微波辐射；Ca2+、Mg2+-ATP酶

    中华航空航天医学杂志000211 【摘要】 目的 探讨微波对机体中枢神经系统作用的机理。方法 用2 450 MHz连续波微波理疗机为辐射源，以昆明小鼠为对象，观察在1 mW/cm²、5 mW/cm²和10 mW/cm²三种照射强度下，小鼠脑皮层、海马及丘脑细胞膜Ca²⁺、Mg²⁺-ATP酶活性的变化情况，用组织化学方法测定其活性。 结果 1 mW/cm²时，皮层、海马及丘脑Ca²⁺、Mg²⁺-ATP酶活性均比对照组高(P<0.05)，5 mW/cm²时，酶活性与对照组差别均无显著性的意义，10 mW/cm²时，皮层、海马酶活性比对照组显著降低，而丘脑则无明显变化。 结论 2 450 MHz微波照射小鼠时，脑组织细胞膜上Ca²⁺、Mg²⁺-ATP酶活性随照射强度不同而有不同变化。受高强度照射时，参与学习记忆功能的皮层、海马先于参与体温调节功能的丘脑受到影响。

    【中国图书资料分类法分类号】 R338.2

    Effect of microwave irradiation of different densities on Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase activity of mice brain

    ZHAO Yali, SONG Jinping, YANG Yuhua, et al.

    (Institute of Space Medio-Engineering, Beijing 100094，China)

    【Abstract】 Objective To investigate the mechanism of effect of microwave irradiation on central nervous system. Methods The cell membrane Ca²⁺，Mg²⁺-ATPass activities of cerebral cortex,hippocampus,thalamus of Kunming mice exposed to 1 mW/cm²,5 mW/cm²,10 mW/cm² microwave irradiation were measured by histochemical method. Results In rats underwent 1 mW/cm² exposure,the activities of Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase of cerebral cortex,hippocampus,as wall as thalamus increased significantly (P<0.05) as compared with controls .In rats underwent 5 mW/cm² exposure,Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase of the above 3 parts of brain were not changed obviously,while in 10 mW/cm² group, Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase activities in cerebral cortex and hippocampus were significantly decreased ,and those of thalamus were not changed significantly. Conclusion Dfferent densities of microwave irradiation may result in diffent reaction of Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase of brain. Under 10 mW/cm² exposure, negative effect on cerebral cortex and hippocampus came earlier than effect on thalamus. This implies that the learning ability and memory were affected earlier than on thermal regulation under high density microwave irradiation.

    【Key Words】 Cerebral tissue; Microwave irradiation; Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase

    随着微波技术在航空航天中的应用愈益广泛^[1，2]，微波污染对人体的影响及其防护显得更加重要。已知中枢神经系统对微波敏感^[3]，3 000 MHz微波辐射可使脑的能量物质ATP含量降低^[4]。Ca²⁺、Mg²⁺-ATP酶(Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase)是ATP的重要水解酶。理论上讲，Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase是具有信息传递和能量传递的跨膜蛋白，是交变电场作用于细胞的靶部位^[5]。在微波作用下，Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase发生何种变化值得研究。笔者利用医学科

    研中常用的2 450 MHz连续微波^[3]研究它对小鼠脑皮层、海马、丘脑的Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的影响。

    材料与方法

    一、实验动物及分组

    采用雄性昆明小鼠(由军事医学科学院动物中心提供)，实验开始时体重16～20 g。动物随机分为对照组和微波照射组，照射组又分为三个强度组：1 mW/cm²、5 mW/cm²和10 mW/cm²。每组12只动物。照射组用可调2 450 MHz连续微波理疗机(航天部二院生产)为照射源^[6]，每天上午照射组小鼠被放在有隔间的带孔的有机玻璃笼中接受全身腹背向照射(小鼠被放在小隔间内，活动受限)，距照射源15 cm(该处的微波强度为设定的强度，用美国产Raham-4型微波漏能仪进行标定)，微波发射天线的长轴与小鼠身体的长轴呈垂直方向，照射1 h，连续照射7 d。对照组动物除不进行照射外，其余饲养和实验等条件均与照射组相同。

    二、实验程序

    实验分三批进行。每一批做一个对照组和一个照射强度组。照射完毕即断头取脑，进行Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性测定。

    三、Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的测定

    1.取脑：断头，在冰盘上取出小鼠大脑，沿大脑矢状缝切开，取用一半大脑，在其前1/3处纵向切开，将后2/3脑组织竖直放于表面涂有胶水的托上，切面向上，用包埋剂包埋后，迅速放入-20℃的冰冻切片机中，冷冻20 min。

    2.冰冻切片：切片厚度为20 μm，脑组织切片上包括皮层、海马和丘脑三部分，每个动物的切片切两份，分别用于阴性对照片和阳性片，切片裱在载玻片上，做好标记，而后在室温干燥15 min。

    3.组织化学染色^[7]: 4℃福钙液(福尔马林10 ml+10% CaCl₂ 1 ml+磷酸缓冲液100 ml)中固定15 min，蒸馏水冲洗。阳性片放入37℃孵育液(ATP二钠盐5 mg，0.2 mol/L tris-HCl缓冲液4 ml，2% Pb(NO₃)₂ 0.6 ml，0.1 mol/L MgSO₄ 1 ml，蒸馏水4.4 ml)反应1 min，阴性对照片放入空白孵育液(不含ATP二钠盐)中，37℃，1 h，蒸馏水漂洗。6%(NH₄)₂ S中显色2 min，蒸馏水漂洗。在切片表面涂上甘油胶浆，用盖玻片封片。在荧光显微镜下观察切片，根据组织形状定位皮层、海马和丘脑，并用计算机灰度软件进行染色分析。切片灰度值计算法见公式(1)。

    切片的灰度值=阳性片灰度值-阴性片灰度值 (1)

    四、 统计方法

    所测数值以±s表示，采用t检验。

    结果

    一、2 450 MHz微波辐射对皮层Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的影响

    由表1可见，皮层Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性在1 mW/cm²时显著高于对照组，比对照组高31.9%，在5 mW/cm²时其活性与对照组比差别无显著性的意义；当强度增至10 mW/cm²时，Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性则显著降低(比对照组下降32.0%)。

    二、2 450 MHz微波辐射对海马Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的影响

    由表2可见，海马Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性在1 mW/cm²时显著升高，比对照组高46.5%，在5 mW/cm²时与对照组比差别无显著性的意义，在10 mW/cm²时则显著下降，比对照组降低33.6%。

    表1 2 450 MHz微波照射小鼠时脑皮层Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的变化(±s，U)

    Tab 1 Changes of Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase activity of cerebral cortex of mice exposedto 2 450 MHz microwave irradiation (±s，U) 照射强度Irradiation

    density

    对照组 Control group

    照射组 Irradiation group

    t值

    t value

    P值

    P value

    照射组与对照组酶活性的比值

    Ratio of enzyme activity

    between irradiation and

    control group

    n

    酶活性 Enzyme activity

    n

    酶活性 Enzyme activity

    1 mW/cm²

    12

    26.19±7.03

    8

    34.55±9.67^*

    2.40

    <0.05

    1.32

    5 mW/cm²

    12

    45.31±18.60

    12

    36.88±14.98

    1.23

    >0.05

    0.81

    10 mW/cm²

    6

    48.30±20.50

    10

    32.81±9.50^*

    2.08

    <0.05

    0.68

    每批照射与对照组比,*P<0.05

    Irradition group vs. control group of each block experiment，*P<0.05表2 2 450 MHz微波照射小鼠时海马Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的变化(±s，U)

    Tab 2 Changes of Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase activity of hippocampus of mice exposedto 2 450 MHz microwave irradiation (±s，U) 照射强度

    Irradiation density

    对照组 Control group

    照射组 Irradiation group

    t值

    t value

    P值

    P value

    照射组与对照组酶活性的比值

    Ratio of enzyme activity

    between irradiation and

    control group

    n

    酶活性 Enzyme activity

    n

    酶活性 Enzyme activity

    1 mW/cm²

    12

    21.03±4.47

    9

    30.81±9.90^**

    3.05

    <0.01

    1.47

    5 mW/cm²

    12

    44.34±15.10

    12

    36.53±12.22

    1.39

    >0.05

    0.82

    10 mW/cm²

    6

    42.80±22.40

    10

    28.41±8.42^*

    1.86

    <0.05

    0.66

    每批照射与对照组比,*P<0.05，**P<0.01

    Irradition group vs. control group of each block experiment,*P<0.05，**P<0.01表3 2 450 MHz微波照射小鼠时丘脑Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的变化(±s，U)

    Tab 3 Changes of Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase activity of thalamus of mice exposed to 2 450 MHz microwave irradiation(±s，U) 照射强度

    Irradiation density

    对照组 Control group

    照射组 Irradiation group

    t值

    t value

    P值

    P value

    照射组与对照组酶活性的比值

    Ratio of enzyme activity

    between irradiation and

    control group

    n

    酶活性 Enzyme activity

    n

    酶活性 Enzyme activity

    1 mW/cm²

    9

    16.39±7.98

    10

    32.10±7.62^**

    4.40

    <0.01

    1.96

    5 mW/cm²

    12

    36.57±15.12

    11

    39.45±13.19

    0.44

    >0.20

    1.08

    10 mW/cm²

    6

    45.66±24.63

    10

    32.04±6.68

    1.68

    >0.05

    0.70

    每批照射与对照组比，*P<0.05，**P<0.01

    Irradition group vs. control group of each block experiment，*P<0.05，**P<0.01

    三、2 450 MHz微波辐射对丘脑Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的影响

    由表3可见，丘脑Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性在1 mW/cm²时比对照组增加95.9%(P<0.01)，在其它两个强度组则与对照组无显著性差异。

    四、不同强度2 450 MHz微波照射小鼠时，皮层、海马和丘脑Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的相对变化情况

    将每批实验照射组的Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性与对照组的相比，所得比值可以反映照射组与对照组的相对大小，称为照射组Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的相对值，将对照组的酶活性设为1，则不同强度的照射组的酶活性相对值大小可以反映随照射强度的增加酶活性的变化趋势。由图1可见，在皮层、海马和丘脑，随照射强度的增加，Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性均有先升高后降低的趋势。

    图1 不同强度的2 450 MHz微波照射小鼠时皮层、海马和丘脑的Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性相对值的变化

    Fig 1 Changes of relative value of Ca²⁺，Mg²⁺-ATPase activity of cerebral cortex, hippocampus and thalamus of mice exposed to different density of 2 450 MHz microwave irradiation

    组化方法是经典的测ATPase活性的方法，但做组化实验要求同批同条件染色，说明这种方法可能会有不好控制的批间误差。在本实验中批间误差很大，经分析可能是反应底物放置时间太久而衰减所致，因为实验顺序是先做10 mW/cm²、5 mW/cm²组，最后做的1 mW/cm²组，实验始末共4个月，可能做到最后时，反应底物有所减效。因而1 mW/cm²对照组的酶活性与其他两个对照组的差别较大。正因为考虑到可能会存在一定的批间误差，所以本实验设计时每一批实验均设一个微波照射组和一个对照组以排除由于染色的批间误差而影响实验因素的作用。

    讨论

    一、不同强度微波辐射对脑Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的影响

    Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase是细胞膜上的Ca²⁺泵，它可以水解ATP，使细胞内Ca²⁺泵到细胞外，以维持细胞内相对较低的Ca²⁺浓度，这是维持细胞稳态的重要机制之一，也是细胞功能得以正常发挥的基础^[8]。

    实验中发现，小鼠在1 mW/cm² 2 450 MHz微波辐射后，皮层、海马和丘脑的Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性增强，说明在此照射强度下可能会使细胞内Ca²⁺泵出增加，而降低Ca²⁺。照射强度增至5 mW/cm²时，酶活性与对照组基本相近，这可能是机体发挥代偿功能的结果。在10 mW/cm²时皮层和海马的Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性呈现显著下降的变化，与有关文献报道的结果一致^[9，10]，提示在该照射强度下Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase调节细胞内Ca²⁺稳态的能力下降，可能会导致细胞内Ca²⁺泵出受限，Ca²⁺升高。

    有文献报道，毫米波辐照人体外周血淋巴细胞后Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性与Ca²⁺呈负相关^[11]。在本实验条件下，Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性在不同的照射强度下的变化可能会导致Ca²⁺发生相反的变化，有文献支持这一推断^[12]，即2 450 MHz微波照射小鼠离体淋巴细胞后，在较低强度下Ca²⁺降低，在较高强度下Ca²⁺升高。可见，在本实验条件下，可能导致低强度时Ca²⁺降低，高强度时Ca²⁺升高的变化。Ca²⁺过低可能会导致细胞DNA合成受限^[12]，过高则可使膜磷脂降解产生游离脂肪酸、前列腺素和白三烯等破坏细胞膜功能；还可使Ca²⁺调节的蛋白激酶、腺苷酸环化酶等功能失调，线粒体氧化磷酸化失偶联，能量生成减少，导致神经元代谢紊乱^[13]。但这些还须进一步验证。

    二、微波照射对脑不同部位Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的影响

    本实验中发现微波照射小鼠后，皮层、海马及丘脑三个部位Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性的变化趋势基本相同(见图1)，均随照射强度的增加呈现先升高后降低的趋势。但在10 mW/cm²时，皮层、海马的酶活性显著降低，而丘脑的酶活性未发生明显的改变，这说明在此照射强度下，皮层、海马受微波的影响比丘脑大，可能是由于微波能量在脑的不同部位吸收不一致或形成驻波，而使脑的不同部位对微波的反应不同^[3]。

    我们知道海马和皮层主要参与学习记忆功能，丘脑则是体温调节的重要部位，而在10 mW/cm²时，海马、皮层的Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性显著降低，可能会因Ca²⁺过高而产生损害作用，从而影响学习记忆功能；而丘脑Ca²⁺、Mg²⁺-ATPase活性未发生显明的变化，可能丘脑仍可维持正常的体温调节功能，即该强度下体温不会升高，这与10 mW/cm²是热效应的下限值相一致^[3]。这提示，微波对学习记忆的影响可能在热效应之前发生。

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    (收稿日期：1999-09-21)

    百拇医药网 http://www.100md.com/html/analecta/2003/09/01/86/189.htm