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【摘要】 目的 研究高压输电线的电磁辐射对大鼠的影响。方法 将大鼠用高压输电线电磁辐射的模拟系统辐照400天后，检测脾脏细胞STAT3蛋白磷酸化水平，测定其心电、脑电和肌电，观测肺、肾和雄性大鼠睾丸的显微结构，并测定血液生化及血常规指标和血红蛋白结构等。结果 大鼠脾脏细胞STAT3蛋白磷酸化水平明显升高；血液谷丙转氨酶含量、白细胞数目显著增加；血红蛋白的红外光谱图部分吸收峰位置和峰强度改变；心电图心动周期延长、心率变短等以及肌肉复合电位的波幅大量降低；肺、肾和雄性大鼠睾丸的组织结构出现异常。结论 高压输电线电磁辐射对大鼠细胞信号转导、血液系统、呼吸系统和生殖系统等都有不同程度的影响。
【关键词】 高压输电线；电磁辐射；大鼠
Influence of electromagnetic irradiation for high-voltage transmission lines on rats
PANG Xiao-feng, YUAN Ping,ZHANG An-ying,et al.
Life Science and Technology School and Sichuan Key Lab. of
Bioelectromagnetics and Bioelectronic Technology, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China
【Abstract】 Objective To study the effect of exposure to electromagnetic irradiation(EMF) for high-voltage transmission lines(HVTL) on rats.Methods Rats were exposed to EMF imitated for HVTL. Electrocardiogram and electroencephalogram were measured. The organic structure of lung and spermary were observed and phosphorylations of STAT3 were detected in spleen cells. Meanwhile the biochemical indexes of blood were determined. Results The expression of phosphor-stat3 was significantly increased. The content of alanine aminotransferase and number of white cells were remarkably improved. And the intension of peak in FTIR of haematoglobin was changed. The organic structure of lung and spermary were abnormal. Conclusion The EMF of HVTL could bring the intensifying effect on cell signal transduction, blood system and productive system of rats, respectively.
【Key words】 high-voltage transmission lines; electromagnetic irradiation; rats
随着国家工业化程度的发展，高压输电线和各种电视台、电台等辐射的大量低频电磁波，使人们不同程度的受这种电磁辐射的影响。这些电磁辐射携带有极高的电磁能量和具有强大的电磁力，它会对周围的人和动物产生强烈的相互作用，改变生物的电磁特性，影响生物的生理健康和生物功能。高压输电线电磁辐射对人体影响的程度和产生 的生物效应是一个长期争论的话题［1～3］。我们通过测试对活体动物的宏观生物特性及微观生物结构在高压输电线照射后的变化来研究高压输电线电磁辐射对大鼠的影响，以探索高压输电线电磁辐射的生物效应及其作用机制。
1 材料与方法
1.1 高压输电线辐射系统
我们测试了高压输电线电磁场在距离地面1.6～2.3m的场强分布大约是3500～4000v/m和0.1～0.01高斯左右，据此在实验室建立了高压输电线路电磁辐射的模拟系统，电场为3700～4000v/m，磁场为0.1～0.08高斯。
1.2 动物分组与饲养
取32只Wistar大鼠（购自四川大学医学院实验动物中心，12～14周龄，雌雄各半，分开饲养），随机分为两组，实验组（雌雄大鼠各8只）经电磁辐射模拟系统照射,对照组未被照射,同条件饲养400天。
1.3 STAT3的磷酸化
大鼠经颈椎脱臼处死后，速取脾脏，匀浆制成细胞悬液，取4×106个细胞悬浮于PBS溶液中，分为两组，一组加入适当剂量IL-2进行刺激, 另一组未加入IL-2。每管中加入含有蛋白酶抑制剂的细胞裂解液，离心收集上清，上清加入上样孔，进行8%SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE），用槽式转膜仪将蛋白质转移到硝酸纤维素膜上, 该膜用含5%BSA的TBST封闭液，然后加入抗酪氨酸磷酸化的单克隆抗体与膜蛋白结合，TBST洗膜，先后加入生物素化羊抗鼠IgG和辣根酶标记链亲合素结合，洗膜后用DAB显色。图像经Smartview 2002生物电泳图像分析软件进行处理分析。
1.4 心电图、血液生化及血常规指标和血液中血红蛋白结构的测定
大鼠用乌拉坦腹腔麻醉后,取大鼠仰位,将针电极分别刺入其四肢皮下, 用心电图机记录标准导联的心电图，测定大鼠心率、各波振幅和各波间期等参数。连续测量5次，求出平均值, 数据以(x±s)表示，心电图值均数采用t检验统计分析。大鼠从股动脉处取血，不加抗凝剂，静置30min，离心取血清；加肝素抗凝后取全血测试白细胞数、红细胞数及血红蛋白含量；用全自动生化仪对肝、肾功能的部分生化指标进行血清测定; 大鼠血液经肝素钠抗凝, 裂解大鼠RBC, 离心，保留血红蛋白上清液，调节血红蛋白溶液pH接近中性；往血红蛋白上清液内加中性盐硫酸胺，至出现硫酸胺结晶止，再用盐析法，提纯出浓度较高的血红蛋白, 进行红外吸收光谱的测定。
1.5 肺、肾组织和大鼠睾丸的显微结构观测
取肺组织、肾脏组织以10％冷甲醛固定，经水洗、梯度酒精脱水、石蜡包埋，切片，HE染色，光镜进行形态学观察；同时取出睾丸，一部分样品经甲醛固定，石蜡包埋, 染色后光镜观察；另一部分经戊二醛、四氧化锇再固定，丙酮逐级脱水并包埋，作半薄切片光学定位，超薄切片醋酸铀及枸椽酸铅双重染色，显微镜观察对照组和辐照组的初级次级精母细胞。
1.6 肌肉组织肌电图的检测
大鼠用乌拉坦腹腔麻醉，俯卧位固定，于股二头肌、臀大肌与股外侧肌间暴露并游离双侧坐骨神经2 cm 左右(闭孔下0.5～0.8cm至膝上0.5～0.8cm), 用自制双极电极刺激坐骨神经，电极置入腓肠肌中，用0.2s，电压为0.8mV的脉冲方波刺激，记录肌肉复合电位（Compound Muscle Action Potential, CMAP）的潜伏期、波幅大小,取其平均值。
1.7 大鼠脑电图的测量和大鼠记忆能力的测试
大鼠用乌拉坦腹腔麻醉后，在耳部、两眼连线的中点和两耳连线的中点分别插入针电极，记录脑电图形态，并计算脑电图各波频率所占的相对百分比。并剥离大鼠脑组织，取出其额叶以冷甲醛固定，石蜡切片，采用多次扫描叠加平均，测量大鼠额叶细胞的透射光谱。同时用水迷宫跟踪分析系统测试大鼠学习记忆能力，在迷宫水池中加入牛奶至乳白色，使大鼠不易凭视觉发现站台（目标）。实验之前连续训练3天，每天2次，训练方法为让大鼠在站台站立2min，然后引导寻找站台1次，最后自由寻找站台2min；实验时，将大鼠从站台所在象限之外的任一象限边缘1/2弧度处头朝池壁放入池中，记录从入池到找到站台所需时间参数。
2 结果
2.1 本实验检测了有无IL-2刺激时实验组与对照组细胞内STAT3蛋白磷酸化水平 如图1所示。结果表明，无IL-2刺激时，两者细胞磷酸化STAT3无明显差异。 经IL-2诱导后，实验组和对照组细胞p-STAT3均有增加，但实验组细胞p-STAT3增加速率高于对照组细胞，两者p-STAT3含量差异有显著性（P＜0.05）。我们还检测到IL－2刺激时实验组和对照组脾脏细胞总蛋白的红外光谱图有一定差异, 实验组出现新的吸收峰,并且主要吸收峰的强度增强。
2.2 实验测得的大鼠心电图各个心电指标 如表1所示。实验组大鼠与对照组大鼠相比较心动周期延长（P＜0.01），心率变短（P＜0.01），T波峰峰值加大（P＜0.05），T波时程延长（P＜0.05），P波时程延长（P＜0.05），QRS时程变化不大（P＞0.05），QRS峰值变化不大（P＞0.05），QT间期变化不大（P＞0.05），PR周期变化不大（P＞0.05），P波峰值变化不大（P＞0.05）。同时，实验组的大多数生化和血常规指标较对照组都有不同程度的升高，结果如表2所示。其中ALT(谷丙转氨酶)含量升高较为明显（P＜0.05）；实验组的白细胞数显著多于对照组的(P＜0.01)。我们还检测到血红蛋白的红外光谱图中部分吸收峰位置有所改变，8个明显的峰值中有4个峰值发生了频率的红移，1个峰值发生了频率的蓝移，其余保持不变。在3200～3500 cm-1范围内,实验组新增加5个峰值，并且实验组吸收峰强度明显减少(如图2所示)。
表1 高压输电线电磁辐射对大鼠心电参数的影响 (略) 注：P＜0.05，＃P＜0.01 表2 高压输电线电磁辐射对大鼠生化及血常规指标的影响 (略) 注：ALT（谷丙转氨酶）、AST（谷草转氨酶）、TP（总蛋白）、ALB（白蛋白）、TB（总胆红素）、DB（直接胆红素）、IB（间接胆红素）、CLO（球蛋白）、A/C（白球比）、BUN（尿素氮），*P＜0.05；＃P＜0.01
2.3 肺、肾组织和大鼠睾丸的显微结构观测 得知，实验组大鼠（25％）肺组织严重的异常（如图3），肺膜表面能见3～5mm灰白结晶，高出表面, 截面灰白，质地中等，均匀。切片观察发现细支气管腔内见多量的炎性渗出和一些细菌团; 大部分肺泡腔水肿、出血以及炎细胞渗出，以中性细胞居多。可见多灶性小脓肿形成，肺泡隔毛细血管扩张充血明显，伴有炎细胞侵入; 部分区域肺组织结构大部分消失，在细支气管周围可见大量异型淋巴细胞弥漫浸润，取代大量正常肺组织细胞; 这些异型淋巴细胞易见凋亡或坏死。同时发现肾组织细胞数无明显增加，肾小球、肾间质未见明显差异，肾小球结构清晰，但部分实验组大鼠肾小球体积略增大，部分肾小管上皮细胞水变性，少数肾小管内可见蛋白管型，间质小细胞充血等。另外，我们还检测到实验组大鼠睾丸间质细胞内小血管充血，生精细胞略减少；电镜下可见部分实验组大鼠睾丸间质细胞存在线粒体肿胀及染色体边集现象，有少量精母细胞及精子细胞内线粒体肿胀、嵴变短或消失; 但是，对照组精母细胞的细胞器和细胞核的形态结构基本正常、线粒体及其内部结构清晰可见（如图4和5所示）。红外光谱检测得出实验组肺组织谱图出现新的吸收峰且吸收强度明显减弱; 肾脏组织红外吸收峰峰位值没有移动，但是峰强度发生改变; 同时还测出大鼠卵巢和睾丸的红外吸收光谱的吸收峰位置和峰强度都有一定改变。
2.4 所测得的大鼠肌肉复合电位（CMAP）的结果 见表3。我们可以看出实验组大鼠CMAP潜伏期较对照组大鼠差异没有显著性，但是其波幅却较对照组大鼠显著性降低（P＜0.05）。这表明高压电磁场可能诱发神经组织产生电活动，使神经元去极化和复极化的程度减少，从而降低神经电传导的能力，使神经兴奋性明显减低。表3 高压电磁场对大鼠肌电的影响(略) 注：P＜0.05
2.5 大鼠Morris水迷宫成绩测试结果 我们检测到实验组和对照组大鼠脑电图的δ、θ、α和β频段相对功率值差别不是很明显; 脑组织的红外吸收谱显示实验组在2345.40cm－1附近存在一个新的强吸收峰。水迷宫测试结果显示实验组大鼠找到目标的学习记忆时间大于对照组（P＜0. 05）（如表4），表明大鼠在高压输电线电磁辐射后，学习记忆能力显著降低。表4 大鼠Morris水迷宫成绩测试结果（略）
3 讨论
高压输电线电磁辐射对周围的人和动物产生的影响及其生物效应一直以来引起人们广泛的关注。近十多年来相关研究得到一些结果，但整体看来并没有进行过比较系统的研究和测试。基于上述情况，我们研究了生物系统微观结构的改变，生物组织电磁特性的变化和由它所产生的生物医学效应等问题，来探索高压输电线电磁辐射对人和动物的影响及其可能的作用机制。本研究结果发现，高压输电线电磁辐射通过活化STAT3的磷酸化过程, 从而对JAK-STAT细胞信号转导途径产生影响; 结合脾脏细胞总蛋白红外光谱的改变可推测出，高压输电线电磁辐射引起与JAK-STAT途径相关蛋白质的结构和构象的改变, 进一步影响了STAT3的磷酸化过程。同时,我们得出长时间高压电磁环境使大鼠心电图中P波时程显著延长, 这表明高压输电线电磁辐射使兴奋由窦房结沿特殊传导系统(结间束、房室结、希氏束、左右束支及浦肯野氏纤维) 传到两侧心室肌的过程中,其传导速度变慢; 同时对大鼠心房肌细胞产生了一定的影响，使T波持续时间延长和峰值显著增高, 这揭示当心房肌细胞和自律组织细胞因长时间高压电磁场辐射而产生影响,即处于心肌组织学退化期时,心室肌细胞尚处于功能代偿期,甚至许多细胞还处于功能代偿性增强期。高压输电线电磁辐射也引起了血液系统中血液成分含量变化, 以及大鼠血红蛋白分子结构的改变; 并且对肺肾和睾丸的组织结构以及学习记忆能力都有作用。由此，我们认识到高压输电线的电磁辐射高压输电线电磁辐射对大鼠细胞信号转导过程，血液系统和生殖系统以及学习记忆能力等方面都存在不同程度的影响。
【参考文献】
1 庞小峰.生物电磁学.成都：电子科技大学出版社，2004，45-198.
2 刘亚宁.电磁生物效应．北京：北京邮电大学出版社，2002，67-187.
3 郭鹞，陈景藻.电磁辐射生物效应及其应用.西安：第四军医大学出版社，2002，67-112.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号：60241002)
作者单位： 610054 四川成都,电子科技大学生命科学与技术学院生物电磁学和生物电子技术四川省重点实验室