iScience：施一公团队系统总结电磁辐射与生物系统之间的相互作用

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iScience：施一公团队系统总结电磁辐射与生物系统之间的相互作用
9 D( t# r8 T" S9 j, l来源：生物世界 2024-03-08 09:48
* L: E* v. r) G( y' k研究团队使用完全组装的试验台原型机进行了生物电磁实验，通过24小时的细胞恒温培养，未观察到细胞有明显缺陷，验证了该原型机对细胞系的生物相容性。
3 k: h5 r5 d3 y. o- f近日，西湖大学施一公院士、卢滢先博士、刘玲瑜博士等在 Cell Press 旗下期刊 iScience 上发表了题为：Interactions between electromagnetic radiation and biological systems 的研究论文【1】。6 |6 Z8 s" z9 a$ ~: i
该文章系统介绍了电磁辐射的生物学效应领域的共识、争议、限制和未解决的问题。在多数研究中，电磁辐射的热效应没有得到适当的控制或考虑，研究的电磁辐射频率仅限于常用频段，特别是输电线和无线通信的频率，而对其他频段的研究很少。此外，复杂电磁环境的生物学效应很少被讨论。总的来说，目前我们对电磁辐射的生物学效应的理解还非常有限，需要进一步研究来回答未解之谜。
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生物系统已经发展出聪明的策略来感知和利用环境中的物质和能量。在不同形式的能量中，电磁辐射（EMR）是其中之一，在生命起源之前，电磁辐射就已经广泛存在于地球大气中。可见光频段的生物学反应是显而易见的。相比之下，对接近可见光范围的非辐射性EMR的生物学反应却知之甚少。但是，如果生物系统只选择一个极其狭窄的频带作为敏感范围，这在直觉上是不合理的。因此，可能存在对包括射频在内的EMR的不同形式的生物学反应，这仍然是一个有趣的研究方向。
6 a' z- c) M" i" G0 X1 ~* ~/ a发现电磁辐射（EMR）新的生物学效应的困难之一是缺乏提示，因为人们无法有意识地感知周围EMR的存在。另一个问题是，EMR可能产生的生物学效应很难与伴随EMR的其他因素（例如随之而来的热量）引起的复杂生物学效应区分开来。5 a& |" b5 y' p1 }3 @$ t1 r9 s: g  m
尽管存在这些困难，但仍有许多研究采用不同的方法来研究电磁辐射的生物学反应，如下图所示。4 Y$ ~# D, u6 I% i
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电磁辐射的生物学效应的研究$ f$ t2 G* q6 y* v% q+ H0 N9 E. T: g
自20世纪50年代以来，随着无线通信技术的快速发展，我们日常生活环境中的非辐射性EMR水平急剧增加。最高功率通量密度比自然水平高出1018倍以上，而某些职业的人甚至暴露在更高功率密度的EMR中，特别是射频EMR（RF-EMR），其范围在300 kHz至300 GHz之间。& |5 R) O& ?$ l: i
对人类，特别是那些职业暴露于高水平EMR的人进行流行病学研究，可以提供EMR暴露风险的重要证据，并指出可能受到EMR影响的潜在报告系统。相应的报告系统主要包括生理和病理效应、流行病学回顾性研究中的疾病、临床症状以及日常或职业暴露后出现的疾病。针对EMR相关的健康问题和疾病的预防、诊断和治疗指南已经制定。对于EMR对人类影响的流行病学调查，需要仔细设计，以整合复杂电磁环境中的变量。其中，问卷调查和病例报告在提供EMR暴露所致自我报告症状方面具有优势，而双盲队列研究则通常用于分析发病机制和影响因素。  w8 L! L5 \9 K% j) o% w- Q4 x8 v
EMR的流行病学调查主要集中在无线通信中广泛使用的RF-EMR的影响上，包括广播、移动电话和Wi-Fi等。
) `- m3 L. H- f之前有研究显示，短期暴露于900 MHz的EMR，会导致志愿者的睡眠脑电图发生变化，但不会显著改变心率变异性。这些结果表明，EMR的影响很可能是温和但累积的，长期暴露的影响可能更容易观察到。例如，一项对年轻工人暴露于3.6-10 GHz微波（平均持续时间为8年）的研究显示，性腺功能下降的发生率更高，包括性欲降低、性动力障碍和精子发生的各种改变。暴露于比吸收率（SAR）不超过2 W/kg的手机EMR（800 MHz-2.2 GHz）与精子活力、存活率和浓度下降有关。此外，EMR对精子活力的影响可以通过线粒体活性来调节。然而，EMR对人类的生物学效应的机制还未被发现。
9 L) M" E* _' A) k1 ^* d. b3 Z在这些研究中，确定EMR应用于生物系统的适当剂量非常重要。众所周知，EMR的能量可以部分被材料吸收并转化为热能。比吸收率（SAR）是受试者在暴露于EMR时吸收的能量，用于指示EMR的热效果。为了评估实验中应用的EMR剂量，可以在实验前通过两种方法估计外部EMR引起的电磁场、电流、SAR和人体内部热量的分布。
; m3 [' q$ l% \+ k$ |! n然而，人类是否能够感知电磁场，目前尚不清楚，而且还未揭示出哪些特定的生物体或分子可能作为电磁信号的受体。暴露在数十kV/m的强直流或50-Hz交流电场中的人报告了刺痛或瘙痒等皮肤感觉，这种感觉的阈值与电场的频率和空气湿度有关。但人类是否能够感知或响应弱于报道强度的电场或其他频率的电磁信号仍不清楚，还需要进一步调查来回答这些问题。! T9 I- C0 f0 S. t
最近的一项研究显示，磁场的变化改变了人类大脑脑电图α震荡的振幅下降，这表明了大脑可能具有磁敏感性，这一观察结果值得进一步确认，其分子基础和下游生物学效应是也值得进一步研究。4 `3 N4 I4 b7 B; k7 ?/ ?
目前，研究电磁辐射（EMR）的生物学效应的手段主要包括动物实验、体外细胞系统、体外生化实验、介质光谱学法等。& M- M, b; _# c& w
值得一提的是，2023年12月，施一公院士团队在 Bioelectrochemistry 期刊发表了题为：A microfabricated lab-on-chip with three-dimensional electrodes for microscopic observation of bioelectromagnetic effects of cells 的研究论文【2】。
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该研究开发了一种生物相容性微尺度试验台，可以同时进行细胞显微观察和低频电磁刺激。该试验台被设计为超薄玻璃基底上的3D叉指电极。使用近似模型估算了包含细胞的电磁场试验台强度，然后将器件批量制造并组装到培养皿中。7 q9 s$ |  l! v
研究团队使用完全组装的试验台原型机进行了生物电磁实验，通过24小时的细胞恒温培养，未观察到细胞有明显缺陷，验证了该原型机对细胞系的生物相容性。此外，在施加10 kHz的电磁信号的过程中，该设备保持了温度稳定性，电磁热效应可以忽略不计。而通过比较有和没有电磁刺激条件下的培养细胞，发现电磁信号可以影响细胞生长，而且可以排除电磁热效应带来的影响。
" S- {3 a9 A- c6 a8 N# ~" C基于物理理论和模型的EMR生物学效应理论预测是实验方法不可或缺的补充。它提出了解释EMR生物效应机制的假设，为实验中EMR频率和振幅的选择提供了指导，并提出了EMR的潜在受体和相关测量报告系统，还可以据此进行实验设计。1 t' z+ f+ `! S4 r: t- x8 L0 |" f
然而，针对生物系统与EMR相互作用提出的理论非常有限，即离子回旋共振模型和自由基对模型。它们在适用频率范围上非常有限，使得大部分频段处于空白状态。为了更好地理解EMR与生物系统之间的相互作用机制，需要更多的理论研究。! z+ m/ C& }2 {
离子回旋共振模型
) i1 U8 g# u9 K8 z- ^& zICR模型于20世纪80年代提出，它假设磁场和细胞中的离子可以通过洛伦兹力相互作用，并且离子的运动受到磁场振荡在离子的回旋共振频率上的影响，导致离子通量和浓度的变化。细胞中富含离子的回旋共振频率在几十Hz的量级，在极低频电磁场（ELF-EMR）的范围内。因此，研究集中在ELF-EMR对细胞的影响方面，包括钙通量、离子浓度、膜电位、神经活动等方面。下图A总结了解释EMR对钙内流和下游信号通路影响的ICR模型。然而，报告的ELF-EMR的生物学反应大多是微弱的，并且一些观察结果相互矛盾。到目前为止，关于回旋共振频率的EMR是否能够引发生物系统的变化的关键证据仍然缺失。
" I; a9 O" a4 ~" b5 Y8 @$ R# }0 u% X自由基对模型- g/ L/ E$ Q# k! ~
自由基对模型是另一个著名的解释磁场或射频EMR（RF-EMR）生物学效应的模型。它基于磁场对自旋态的塞曼效应，即自由基对简并自旋态的能级随着磁场的变化而分化。在包含单态和三态自由基对的反应系统中，外部磁场改变了三态的能级，并进一步改变了单态-三态相互转换的平衡，改变了单态自由基、三态自由基和下游反应产物的浓度。自由基对模型适用于生化反应，例如涉及光感受器隐花色素和活性氧的反应。: K& I/ }7 ^1 U& m+ l7 M
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当前解释电磁辐射生物学效应的理论  v9 P4 Y- E0 [. s
非辐射性EMR的生物学效应研究通过将各种生物系统暴露于EMR并检测其生物反应来进行。这些研究的生物系统包括人类、动物、体外细胞系统和生化反应系统。可选的方法包括介质光谱学法、生物电磁辐射检测和理论预测。大多数EMR对生物系统的影响研究都局限于日常生活中常用的EMR频率，如50-60 Hz的电源频率、800-935 MHz、1.8 GHz和1.9 GHz的手机通信频段以及2.4-2.45 GHz的Wi-Fi通信频段。相比之下，其他频率EMR的生物效应研究较少。因此，EMR生物效应的频率特异性仍不清楚。此外，对EMR生物反应的实时监测仍然难以实现，因此EMR刺激生物效应的时间-过程响应问题仍未解决。
6 |$ O& l: ?: O, r7 d实际上，高功率EMR的许多生物学效应是EMR带来的热效应的副作用。在一些研究中，对照实验未能适当排除EMR的热效应的影响。相比之下，在低剂量EMR下观察到的生物反应是温和和不一致的，相应的反应机制大多不清楚。最近的研究报告了一些有趣的发现，表明神经系统可能能够通过有待揭示的机制对电磁波做出反应。这些对EMR的反应甚至可能与高度组织为超分子结构的分子开关有关。6 T& x: H% p( }+ G3 I
值得注意的是，真实环境中的EMR很复杂，它通常是随机的，并包含许多不同的频率成分，在场幅值和方向上变化，并随着时间和位置的变化而变化。考虑到对EMR的生物反应是非线性的可能性，环境中总EMR的生物学效应可能不同于每个单一成分的生物学效应的总和。在实验中定义一个能够代表复杂的真实EMR环境的EMR条件是非常理想的，但显然也非常困难。
0 J' [% U  O, t论文链接：/ C( `0 I+ V, n' {) b& u
1. https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.1092019 H* W! R2 A" s4 k  b
2. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2023.108554