微波辐射致心脏损伤机制与防护研究进展

尹 玥， 张 静， 彭瑞云

(军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所， 北京 100850)

微波是一种波长范围为1 mm-1 m，频率范围为300 MHz-300 GHz的电磁波。随着科学技术的快速发展，在军事领域，微波普遍应用于微波弹、微波炮等高新技术武器中，用于干扰和破坏电子设备，在航母、基站等发挥重要作用。除了大量的作战人员与技术人员暴露于复杂的微波环境中之外，日常生活中手机等无线设备以及微波炉等家用电器在全球范围内迅速普及，人们在日常生活中也处在一个复杂的微波辐射场中。 微波辐射的生物学效应已受到社会各界的日益关注。许多研究证实，不同频率〔1〕、不同强度〔2〕的微波在生物实验中对不同实验动物〔3〕的不同组织器官〔4〕可产生不同程度的效应。其中，心脏是微波辐射敏感的靶器官之一，更是维持生命活动的必需器官以及循环系统的动力器官，其功能异常可影响全身各器官系统的血液供应。本文就目前检索到的文献，对微波辐射后心脏损伤机制及防护进行综述，为预防、诊断和治疗措施的研究奠定基础。

1 微波辐射致心肌细胞损伤的机制

1.1 微波辐射使心肌细胞发生氧化应激生理状态下，生物体内自由基的产生与清除处于一种动态平衡，当某种刺激破坏了这种平衡，机体自由基代谢就会异常，产生氧化应激现象。氧化应激发生后，产生大量氧自由基，统称为活性氧(reactive oxygen species，ROS)。ROS氧化不饱和脂肪酸，生成脂质过氧化物丙二醛(malondialdehyde，MDA)，造成细胞膜流动性降低、通透性增加，导致蛋白质功能改变等损伤〔5〕。 微波辐射通过破坏氧代谢平衡，使ROS升高和超氧化物歧化酶(super oxide dismutase，SOD)降低，造成器官和细胞的损伤，心脏为氧化应激损伤的易感器官。Bahreyni Toossi MH等〔6〕研究频率为900-1800 MHz的手机辐射对Balb/c母鼠及其子代小鼠的心脏、肝脏等器官氧化还原状态的影响，结果发现，孕鼠于手机电磁场中每天暴露2 h，持续一个妊娠期(19 d)，可引起母鼠和子代小鼠组织的氧化应激。心脏组织MDA水平升高，总巯基含量(total thiol content，TTG)、SOD和过氧化氢酶(catalase，CAT)的水平降低。表明心脏对氧化应激敏感，且抗氧化酶的活性周期短。因此与其他组织相比，心脏对ROS损伤的抵抗力较差。

1.2 微波辐射启动心肌细胞的凋亡程序细胞凋亡是生物体为维持内环境稳态，由基因控制的细胞自主性有序死亡。细胞凋亡有严格的调控机制，含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3(cysteinyl aspartate specific proteinase-3，caspase-3)介导的信号转导途径是细胞凋亡常见的通路。多种生理或病理因素刺激均可导致细胞内caspase活化，caspase-3是凋亡的执行者〔7〕。朱文赫等〔8〕用频率为2450 MHz的微波辐射Wistar大鼠6 min，辐射后6h检测心肌细胞凋亡情况，结果显示，微波辐射可导致大鼠心肌细胞凋亡，且随着辐射强度增加，凋亡率上升。蛋白质印迹法结果显示，辐射后心肌细胞内caspase-3蛋白表达量增高，印证了心肌细胞凋亡率增加的实验结果。

1.3 微波辐射引起心肌细胞线粒体自噬自噬对于维持细胞能量和物质平衡以及内环境的稳态发挥重要作用。研究发现，细胞可通过自噬方式选择性清除受损或多余的线粒体，称为线粒体自噬〔9〕。腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine5’-monophosphate-activatedproteinkinase，AMPK)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信号通路可感知并联系细胞能量和代谢活动，以协调细胞合成和降解活动之间的平衡状态，维持细胞内环境的稳态〔10〕。 微波辐射可通过激活AMPK/mTOR通路，引起大鼠心肌细胞线粒体自噬。张静等〔11〕通过检测心脏组织中自噬标志性蛋白LC3II、Beclin1和AMPK/mTOR通路中重要分子表达的变化，研究AMPK/mTOR通路在微波辐射致大鼠心肌细胞线粒体自噬中的变化和调控机制。结果发现，辐射后7 d，大鼠心肌线粒体空化肿胀、甚至破裂，嵴断裂；Ca2+和ROS含量升高，腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)降低；大鼠心肌细胞自噬标志性蛋白LC3II和Beclin1均升高；大鼠心脏组织中AMPK磷酸化水平升高，mTOR磷酸化水平降低。上述结果证明了微波辐射后心肌细胞线粒体自噬的发生。

1.4 微波辐射致心肌细胞膜蛋白构象的改变蛋白质是生命的物质基础，研究心肌细胞膜蛋白质分子构象在微波辐射后的变化，对揭示心脏在微波辐射后发生的病理改变有积极意义。 微波辐射可通过改变心肌细胞膜的蛋白质结构，使细胞膜发生穿孔等改变，从而影响细胞内外的物质交流。邓桦等〔12〕采用频率为9 GHz、峰值功率密度为950 mW/cm2的脉冲微波，分别辐射原代大鼠心肌细胞30、60和120 s，研究脉冲微波对心肌细胞膜蛋白分子构象和功能的影响。结果发现，辐射使细胞膜脂质结构和磷脂结构构象发生改变，导致细胞膜流动性下降、通透性增高甚至穿孔；蛋白质空间稳定性下降，导致细胞膜功能受损。 微波辐射对蛋白质二级结构损伤明显，极大影响了心肌细胞膜的稳定性，进而影响细胞功能，可能造成辐射后心肌酶活性增高，细胞内Ca2+、Na+等多种离子外流。但是，心肌细胞膜蛋白种类繁多，数量不一，辐射后膜蛋白的损伤数量以及严重程度，目前还没有相应的文献报道。因此，通过组学、分子生物学等检测手段，筛选出微波致心脏损伤的敏感指标，为阐明损伤机制奠定基础。

2 微波辐射致窦房结损伤机制

窦房结(sinoatrial node，SAN)是哺乳动物心脏传导系统的重要组成部分，是心脏正常起搏点，其结构和功能状态对维持心脏正常节律，保证心房、心室收缩和舒张频率具有重要影响。超极化激活的环核苷酸门控阳离子通道(hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated cation channel，HCN)包括有4种亚型，在体内具有不同的表达模式，其中HCN4主要表达于心脏〔13〕。HCN4激活后产生的起搏电流(If/Ih)是SAN动作电位形成的分子基础。 研究发现，微波辐射致SAN损伤的病理生理过程是由HCN4的异常表达介导的。刘燕青等〔14〕用功率密度为50 mW/cm2的微波辐射大鼠后，分别于辐射后1 d、7 d、14 d、28 d、3 m和6 m检测HCN4的表达，发现较假辐射组，辐射后1-28 d表达增加，辐射后3 m和6 m表达减少，与SAN细胞损伤恢复过程基本一致。据此认为，HCN4介导微波辐射后SAN损伤的过程，且HCN4表达增加再减少，与SAN损伤再恢复的过程吻合。 上述研究表明，心脏是微波辐射敏感的靶器官，其中窦房结是微波辐射损伤的主要部位之一〔15〕。因此，可将心脏电传导功能作为研究微波辐射致心脏损伤的新方向。

3 微波辐射致心脏电生理功能改变的机制

心肌细胞之间的连接方式有缝隙连接(gap junction，GJ)、桥粒(desmosome)和粘着连接(adhering junction)等3种，其中GJ在心肌细胞间电冲动及化学信号传递方面起着重要作用〔16〕。GJ通道由分别位于相对细胞膜上的两个半通道对接而成，半通道则由6个称为缝隙连接蛋白(connexin，Cx)的穿膜镶嵌蛋白亚单位围成六聚体中空结构，它允许离子电流和小分子物质通过。 Cx是心肌细胞GJ的分子基础，维持心肌细胞电偶联与机械偶联正常进行〔17〕。Cx43是心肌中表达量最多的一种，以Cx43为主的低电阻通道在心肌细胞同步收缩过程中发挥调控作用。〔18〕。 Cx表达和分布的变化及功能异常可引起细胞偶联及心脏节律的异常。有研究表明，上调Cx43磷酸化对心律失常有缓解作用〔19〕。研究发现，心肌Cx43表达量的改变可能是导致闰盘结构改变的重要机制之一。李晓娟等〔20〕采用场强为200 kv/m、脉冲次数为200次、脉冲间隔2 s的电磁脉冲辐射SD大鼠后，发现心肌Cx43表达量减少；心肌闰盘间隙在辐射后即刻至12 h增宽，之后恢复，呈现先增宽后降低的时相性改变。 以往研究中仅见有电磁脉冲辐射后Cx43含量改变导致心肌细胞结构的改变，然而机制尚不明确。由于Cx43是心肌细胞之间电化学偶联的基础，且结构改变应与心脏电生理改变结合研究，有助于相关机制的探讨。

4 微波辐射致心脏损伤的防护

电磁辐射已被世界卫生组织列为继空气、水和噪音污染之后的第四大环境污染源，人类生活在一个由不同波段电磁波复合而成的电磁场中。为了探讨低强度微波对人体的影响，有研究通过10年的现场监测以及对接触微波的作业工人的职业体检和调查研究，发现虽然微波强度低，但是由于接触时间较长，接触组的心率、血压均高于对照组，心电图异常率也高于对照组。因此，电磁辐射的防护对于遭受电磁波辐射损伤的人员非常重要〔21〕。防护手段可分为物理防护和医学防护。

4.1 物理防护物理防护是对微波辐射健康危害最直接的应对措施。对于长期暴露于HPM下的人员来说，物理防护主要是指应用吸波材料或屏蔽材料制成的防护服，吸收或者大幅减弱接收到的电磁波能量，降低电磁辐射对工作人员的伤害。 在屏蔽防护方面，已研制出了具有防微波辐射功能的织物，其中针织和梭织镀银纤维织物具有较好的屏蔽效能。葛朝丽等〔22〕通过检测大鼠的学习记忆功能、检测海马组织中氨基酸含量等手段，评价一种新型梭织面料的保护作用。发现该种梭织面料对微波所致的脑组织损伤具有良好的防护作用。通过穿着电磁辐射防护服，可有效保护相关作业人员，减少微波辐射造成的损伤。除此之外，在条件允许的情况下，采用吸波材料对产生微波辐射的仪器设备进行屏蔽，也可有效减少微波辐射对人体的伤害。 综上，物理防护方法是屏蔽或降低微波辐射的重要防护手段，且被普通民众广泛接受。因此，研发屏蔽效能高且便捷舒适的防护面料，是该领域重要的研究方向。

4.2 医学防护医学防护主要是指应用药物对微波辐射的健康危害进行防护。研究表明，多种药物针对微波损伤有预防和治疗作用。 杜欣等〔23〕发现中药防微波辐射的机制主要为抗氧化、清除自由基、提高机体免疫力、保护免疫系统，促进造血等作用。中药有效成分有：黄酮类、多糖类、生物碱、酚类和皂苷等。 抗辐灵是一种中药复方制剂，由黄芪、赤芍、丹参、绿萍等制成，防护机制是其具有体外清除自由基的能力。张雪岩等〔24〕认为抗辐灵可对抗微波辐射心肌损伤引起的心肌酶及Ca2+的紊乱，对心脏具有良好的保护作用。安多霖是由一种强抗辐射植物的提取物以及黄芪、鸡血藤等中药制成。有研究发现，微波辐射可造成心肌细胞损伤，caspase-3表达增强，心肌细胞凋亡；安多霖可下调心肌细胞中caspase-3表达，发挥微波辐射对心肌损伤的保护作用〔25〕。 安多霖还可以通过下调微波辐射诱导的心肌细胞β1-肾上腺素受体(β1-adrenergic receptor，β1-AR)和M2-胆碱能受体(muscarinic type 2 acetylcholine receptors，M2-AchR)的表达，从而保护心脏功能〔26〕。由于微波辐射可造成心脏组织结构损伤，影响传导组织以及心脏的自主神经系统，导致心肌β1-AR和M2-AchR的表达上调。因此，在辐射后早期联合应用β1-AR激动剂和M2-AchR阻断剂进行治疗，可减轻高功率微波辐射所造成的损伤〔27〕。 中药是我国医学的特色，随着科技发展，其科学性和先进性越来越被学术界、产业界所重视，其作用范围和疗效有广阔的探索空间。抗辐灵和安多霖作为中药复方制剂，具有安全、无副作用的优势，经过实验证明，其具有防辐射作用，可作为防护药物应用于长期暴露于电磁波环境的人群中。 总之，微波辐射损伤的防护主要以物理防护为主，药物防护为辅。虽然多种抗微波辐射药物的研究都已取得一定的成果，但仍存在药物抗辐射机制不明确、影响实验的因素多、实验重复性差的问题。

5 展望

综上，一定条件的微波辐射可引起心脏结构和功能损伤，但不同的研究也有一定的差异，可能与辐射剂量、实验环境、实验动物、观察指标等不同有关。已有研究大多基于单一波段微波辐射损伤效应研究，然而我们所处的电磁场是由不同波段电磁波复合而成的。因此，研究时应考虑模拟现实场景中多个波段的微波复合暴露，这样更能反映现实条件下微波对生物体的影响，也能使研究更具实用性。 在心脏损伤效应方面，应寻找检测新方法、新指标，有助于损伤机制的阐明和防治措施的研究。微波辐射造成心脏损伤的机制研究亟待深入：如微波辐射后心肌细胞自噬的发生、氧化应激的发生与线粒体损伤是否有关？线粒体功能紊乱影响Ca2+的失衡在微波辐射致心脏损伤的过程中是否发挥了作用？心肌细胞损伤是否通过Cx43的表达异常影响心肌细胞间通讯，致使细胞电传导受阻，从而导致心脏电生理改变？ 在防护手段方面，近些年出现许多新材料用于物理防护的研究，并取得突破性进展，但仍需优化材料性能。关于微波辐射损伤药物的防护和治疗，特别是中医药抗辐射作用的研究虽然有很大的进展，但还需要深入研究其抗辐射机制以及药物可能的毒副作用。 总体来看，随着科学技术的进步和发展，微波辐射的影响也随之扩大，因此研究微波辐射对心脏损伤机制以及如何防护是非常必要的，且意义深远。