尹 玥， 張 靜， 彭瑞云

(軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院輻射醫(yī)學(xué)研究所， 北京 100850)

微波是一種波長(zhǎng)范圍為1 mm-1 m，頻率范圍為300 MHz-300 GHz的電磁波。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在軍事領(lǐng)域，微波普遍應(yīng)用于微波彈、微波炮等高新技術(shù)武器中，用于干擾和破壞電子設(shè)備，在航母、基站等發(fā)揮重要作用。除了大量的作戰(zhàn)人員與技術(shù)人員暴露于復(fù)雜的微波環(huán)境中之外，日常生活中手機(jī)等無(wú)線設(shè)備以及微波爐等家用電器在全球范圍內(nèi)迅速普及，人們?cè)谌粘Ｉ钪幸蔡幵谝粋€(gè)復(fù)雜的微波輻射場(chǎng)中。 微波輻射的生物學(xué)效應(yīng)已受到社會(huì)各界的日益關(guān)注。許多研究證實(shí)，不同頻率〔1〕、不同強(qiáng)度〔2〕的微波在生物實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同實(shí)驗(yàn)動(dòng)物〔3〕的不同組織器官〔4〕可產(chǎn)生不同程度的效應(yīng)。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(dòng)的必需器官以及循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力器官，其功能異常可影響全身各器官系統(tǒng)的血液供應(yīng)。本文就目前檢索到的文獻(xiàn)，對(duì)微波輻射后心臟損傷機(jī)制及防護(hù)進(jìn)行綜述，為預(yù)防、診斷和治療措施的研究奠定基礎(chǔ)。

1 微波輻射致心肌細(xì)胞損傷的機(jī)制

1.1 微波輻射使心肌細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激生理狀態(tài)下，生物體內(nèi)自由基的產(chǎn)生與清除處于一種動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)某種刺激破壞了這種平衡，機(jī)體自由基代謝就會(huì)異常，產(chǎn)生氧化應(yīng)激現(xiàn)象。氧化應(yīng)激發(fā)生后，產(chǎn)生大量氧自由基，統(tǒng)稱為活性氧(reactive oxygen species，ROS)。ROS氧化不飽和脂肪酸，生成脂質(zhì)過氧化物丙二醛(malondialdehyde，MDA)，造成細(xì)胞膜流動(dòng)性降低、通透性增加，導(dǎo)致蛋白質(zhì)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(xì)胞的損傷，心臟為氧化應(yīng)激損傷的易感器官。Bahreyni Toossi MH等〔6〕研究頻率為900-1800 MHz的手機(jī)輻射對(duì)Balb/c母鼠及其子代小鼠的心臟、肝臟等器官氧化還原狀態(tài)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，孕鼠于手機(jī)電磁場(chǎng)中每天暴露2 h，持續(xù)一個(gè)妊娠期(19 d)，可引起母鼠和子代小鼠組織的氧化應(yīng)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(duì)氧化應(yīng)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(duì)ROS損傷的抵抗力較差。

1.2 微波輻射啟動(dòng)心肌細(xì)胞的凋亡程序細(xì)胞凋亡是生物體為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，由基因控制的細(xì)胞自主性有序死亡。細(xì)胞凋亡有嚴(yán)格的調(diào)控機(jī)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(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是細(xì)胞凋亡常見的通路。多種生理或病理因素刺激均可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)caspase活化，caspase-3是凋亡的執(zhí)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(cè)心肌細(xì)胞凋亡情況，結(jié)果顯示，微波輻射可導(dǎo)致大鼠心肌細(xì)胞凋亡，且隨著輻射強(qiáng)度增加，凋亡率上升。蛋白質(zhì)印跡法結(jié)果顯示，輻射后心肌細(xì)胞內(nèi)caspase-3蛋白表達(dá)量增高，印證了心肌細(xì)胞凋亡率增加的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.3 微波輻射引起心肌細(xì)胞線粒體自噬自噬對(duì)于維持細(xì)胞能量和物質(zhì)平衡以及內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)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(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號(hào)通路可感知并聯(lián)系細(xì)胞能量和代謝活動(dòng)，以協(xié)調(diào)細(xì)胞合成和降解活動(dòng)之間的平衡狀態(tài)，維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)〔10〕。 微波輻射可通過激活A(yù)MPK/mTOR通路，引起大鼠心肌細(xì)胞線粒體自噬。張靜等〔11〕通過檢測(cè)心臟組織中自噬標(biāo)志性蛋白LC3II、Beclin1和AMPK/mTOR通路中重要分子表達(dá)的變化，研究AMPK/mTOR通路在微波輻射致大鼠心肌細(xì)胞線粒體自噬中的變化和調(diào)控機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(xì)胞自噬標(biāo)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(jié)果證明了微波輻射后心肌細(xì)胞線粒體自噬的發(fā)生。

1.4 微波輻射致心肌細(xì)胞膜蛋白構(gòu)象的改變蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，研究心肌細(xì)胞膜蛋白質(zhì)分子構(gòu)象在微波輻射后的變化，對(duì)揭示心臟在微波輻射后發(fā)生的病理改變有積極意義。 微波輻射可通過改變心肌細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞膜發(fā)生穿孔等改變，從而影響細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)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(xì)胞30、60和120 s，研究脈沖微波對(duì)心肌細(xì)胞膜蛋白分子構(gòu)象和功能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輻射使細(xì)胞膜脂質(zhì)結(jié)構(gòu)和磷脂結(jié)構(gòu)構(gòu)象發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)胞膜流動(dòng)性下降、通透性增高甚至穿孔；蛋白質(zhì)空間穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致細(xì)胞膜功能受損。 微波輻射對(duì)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)損傷明顯，極大影響了心肌細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響細(xì)胞功能，可能造成輻射后心肌酶活性增高，細(xì)胞內(nèi)Ca2+、Na+等多種離子外流。但是，心肌細(xì)胞膜蛋白種類繁多，數(shù)量不一，輻射后膜蛋白的損傷數(shù)量以及嚴(yán)重程度，目前還沒有相應(yīng)的文獻(xiàn)報(bào)道。因此，通過組學(xué)、分子生物學(xué)等檢測(cè)手段，篩選出微波致心臟損傷的敏感指標(biāo)，為闡明損傷機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

2 微波輻射致竇房結(jié)損傷機(jī)制

竇房結(jié)(sinoatrial node，SAN)是哺乳動(dòng)物心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分，是心臟正常起搏點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)對(duì)維持心臟正常節(jié)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(huán)核苷酸門控陽(yáng)離子通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channel，HCN)包括有4種亞型，在體內(nèi)具有不同的表達(dá)模式，其中HCN4主要表達(dá)于心臟〔13〕。HCN4激活后產(chǎn)生的起搏電流(If/Ih)是SAN動(dòng)作電位形成的分子基礎(chǔ)。 研究發(fā)現(xiàn)，微波輻射致SAN損傷的病理生理過程是由HCN4的異常表達(dá)介導(dǎo)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(cè)HCN4的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)較假輻射組，輻射后1-28 d表達(dá)增加，輻射后3 m和6 m表達(dá)減少，與SAN細(xì)胞損傷恢復(fù)過程基本一致。據(jù)此認(rèn)為，HCN4介導(dǎo)微波輻射后SAN損傷的過程，且HCN4表達(dá)增加再減少，與SAN損傷再恢復(fù)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(jié)是微波輻射損傷的主要部位之一〔15〕。因此，可將心臟電傳導(dǎo)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(jī)制

心肌細(xì)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(xì)胞間電沖動(dòng)及化學(xué)信號(hào)傳遞方面起著重要作用〔16〕。GJ通道由分別位于相對(duì)細(xì)胞膜上的兩個(gè)半通道對(duì)接而成，半通道則由6個(gè)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(jié)構(gòu)，它允許離子電流和小分子物質(zhì)通過。 Cx是心肌細(xì)胞GJ的分子基礎(chǔ)，維持心肌細(xì)胞電偶聯(lián)與機(jī)械偶聯(lián)正常進(jìn)行〔17〕。Cx43是心肌中表達(dá)量最多的一種，以Cx43為主的低電阻通道在心肌細(xì)胞同步收縮過程中發(fā)揮調(diào)控作用。〔18〕。 Cx表達(dá)和分布的變化及功能異?？梢鸺?xì)胞偶聯(lián)及心臟節(jié)律的異常。有研究表明，上調(diào)Cx43磷酸化對(duì)心律失常有緩解作用〔19〕。研究發(fā)現(xiàn)，心肌Cx43表達(dá)量的改變可能是導(dǎo)致閏盤結(jié)構(gòu)改變的重要機(jī)制之一。李曉娟等〔20〕采用場(chǎng)強(qiáng)為200 kv/m、脈沖次數(shù)為200次、脈沖間隔2 s的電磁脈沖輻射SD大鼠后，發(fā)現(xiàn)心肌Cx43表達(dá)量減少；心肌閏盤間隙在輻射后即刻至12 h增寬，之后恢復(fù)，呈現(xiàn)先增寬后降低的時(shí)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(dǎo)致心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變，然而機(jī)制尚不明確。由于Cx43是心肌細(xì)胞之間電化學(xué)偶聯(lián)的基礎(chǔ)，且結(jié)構(gòu)改變應(yīng)與心臟電生理改變結(jié)合研究，有助于相關(guān)機(jī)制的探討。

4 微波輻射致心臟損傷的防護(hù)

電磁輻射已被世界衛(wèi)生組織列為繼空氣、水和噪音污染之后的第四大環(huán)境污染源，人類生活在一個(gè)由不同波段電磁波復(fù)合而成的電磁場(chǎng)中。為了探討低強(qiáng)度微波對(duì)人體的影響，有研究通過10年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及對(duì)接觸微波的作業(yè)工人的職業(yè)體檢和調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)雖然微波強(qiáng)度低，但是由于接觸時(shí)間較長(zhǎng)，接觸組的心率、血壓均高于對(duì)照組，心電圖異常率也高于對(duì)照組。因此，電磁輻射的防護(hù)對(duì)于遭受電磁波輻射損傷的人員非常重要〔21〕。防護(hù)手段可分為物理防護(hù)和醫(yī)學(xué)防護(hù)。

4.1 物理防護(hù)物理防護(hù)是對(duì)微波輻射健康危害最直接的應(yīng)對(duì)措施。對(duì)于長(zhǎng)期暴露于HPM下的人員來(lái)說，物理防護(hù)主要是指應(yīng)用吸波材料或屏蔽材料制成的防護(hù)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(duì)工作人員的傷害。 在屏蔽防護(hù)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(cè)大鼠的學(xué)習(xí)記憶功能、檢測(cè)海馬組織中氨基酸含量等手段，評(píng)價(jià)一種新型梭織面料的保護(hù)作用。發(fā)現(xiàn)該種梭織面料對(duì)微波所致的腦組織損傷具有良好的防護(hù)作用。通過穿著電磁輻射防護(hù)服，可有效保護(hù)相關(guān)作業(yè)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(duì)產(chǎn)生微波輻射的儀器設(shè)備進(jìn)行屏蔽，也可有效減少微波輻射對(duì)人體的傷害。 綜上，物理防護(hù)方法是屏蔽或降低微波輻射的重要防護(hù)手段，且被普通民眾廣泛接受。因此，研發(fā)屏蔽效能高且便捷舒適的防護(hù)面料，是該領(lǐng)域重要的研究方向。

4.2 醫(yī)學(xué)防護(hù)醫(yī)學(xué)防護(hù)主要是指應(yīng)用藥物對(duì)微波輻射的健康危害進(jìn)行防護(hù)。研究表明，多種藥物針對(duì)微波損傷有預(yù)防和治療作用。 杜欣等〔23〕發(fā)現(xiàn)中藥防微波輻射的機(jī)制主要為抗氧化、清除自由基、提高機(jī)體免疫力、保護(hù)免疫系統(tǒng)，促進(jìn)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(fù)方制劑，由黃芪、赤芍、丹參、綠萍等制成，防護(hù)機(jī)制是其具有體外清除自由基的能力。張雪巖等〔24〕認(rèn)為抗輻靈可對(duì)抗微波輻射心肌損傷引起的心肌酶及Ca2+的紊亂，對(duì)心臟具有良好的保護(hù)作用。安多霖是由一種強(qiáng)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(fā)現(xiàn)，微波輻射可造成心肌細(xì)胞損傷，caspase-3表達(dá)增強(qiáng)，心肌細(xì)胞凋亡；安多霖可下調(diào)心肌細(xì)胞中caspase-3表達(dá)，發(fā)揮微波輻射對(duì)心肌損傷的保護(hù)作用〔25〕。 安多霖還可以通過下調(diào)微波輻射誘導(dǎo)的心肌細(xì)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(dá)，從而保護(hù)心臟功能〔26〕。由于微波輻射可造成心臟組織結(jié)構(gòu)損傷，影響傳導(dǎo)組織以及心臟的自主神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致心肌β1-AR和M2-AchR的表達(dá)上調(diào)。因此，在輻射后早期聯(lián)合應(yīng)用β1-AR激動(dòng)劑和M2-AchR阻斷劑進(jìn)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(guó)醫(yī)學(xué)的特色，隨著科技發(fā)展，其科學(xué)性和先進(jìn)性越來(lái)越被學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)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(fù)方制劑，具有安全、無(wú)副作用的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，其具有防輻射作用，可作為防護(hù)藥物應(yīng)用于長(zhǎng)期暴露于電磁波環(huán)境的人群中。 總之，微波輻射損傷的防護(hù)主要以物理防護(hù)為主，藥物防護(hù)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(jī)制不明確、影響實(shí)驗(yàn)的因素多、實(shí)驗(yàn)重復(fù)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(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物、觀察指標(biāo)等不同有關(guān)。已有研究大多基于單一波段微波輻射損傷效應(yīng)研究，然而我們所處的電磁場(chǎng)是由不同波段電磁波復(fù)合而成的。因此，研究時(shí)應(yīng)考慮模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中多個(gè)波段的微波復(fù)合暴露，這樣更能反映現(xiàn)實(shí)條件下微波對(duì)生物體的影響，也能使研究更具實(shí)用性。 在心臟損傷效應(yīng)方面，應(yīng)尋找檢測(cè)新方法、新指標(biāo)，有助于損傷機(jī)制的闡明和防治措施的研究。微波輻射造成心臟損傷的機(jī)制研究亟待深入：如微波輻射后心肌細(xì)胞自噬的發(fā)生、氧化應(yīng)激的發(fā)生與線粒體損傷是否有關(guān)？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(fā)揮了作用？心肌細(xì)胞損傷是否通過Cx43的表達(dá)異常影響心肌細(xì)胞間通訊，致使細(xì)胞電傳導(dǎo)受阻，從而導(dǎo)致心臟電生理改變？ 在防護(hù)手段方面，近些年出現(xiàn)許多新材料用于物理防護(hù)的研究，并取得突破性進(jìn)展，但仍需優(yōu)化材料性能。關(guān)于微波輻射損傷藥物的防護(hù)和治療，特別是中醫(yī)藥抗輻射作用的研究雖然有很大的進(jìn)展，但還需要深入研究其抗輻射機(jī)制以及藥物可能的毒副作用。 總體來(lái)看，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，微波輻射的影響也隨之?dāng)U大，因此研究微波輻射對(duì)心臟損傷機(jī)制以及如何防護(hù)是非常必要的，且意義深遠(yuǎn)。