生物电磁技术的医学应用与健康危害评价

　　0 引言

　　生物电磁学是以电磁场的生物机理及其综合利用为主要研究内容，涉及生物医学、生物物理学、物理学、电磁学、电子技术及生物技术等领域的综合学科。自 Maxwell 提出了描述电磁场时空关系的统一方程以来，电磁科技得到高速发展，大量电子电气产品应用于工业、农业、医疗等行业并涌入家庭[1].但与此同时，人类正在被各种电子设备所包围，并暴露于电磁辐射之中。当电磁辐射强度超过人体所能承受的限度时就构成了电磁辐射污染，乃至导致健康风险问题。因此，建立科学、规范的生物电磁学健康风险评估体系业已成为关系到整个社会决策的关键问题，也是健康管理领域亟待解决的重大公共卫生问题。

　　本文对生物电磁技术应用及其相关健康风险评估的研究进展进行了概述，分别从生物电磁技术在医学上的应用、电磁暴露的健康危害性评价以及生物电磁技术应用所带来的相关健康风险问题的应对策略等方面进行了分析，为建立科学的、规范的、多学科融合的生物电磁效应相关健康风险评估体系提供了研究方向。

　　1 生物电磁技术在医学上的应用

　　1.1 脉冲电场暴露在肿瘤治疗中的应用

　　1.1.1 μs 脉冲电场对癌细胞黏附、侵袭和迁移能力的影响

　　μs 脉冲电场对肿瘤细胞的黏附、侵袭和迁移能力均有明显的抑制作用，且该抑制作用与电场强度大小密切相关[2].有研究者以人宫颈癌细胞系 Hela细胞为实验对象[3],分别检测 μs 脉冲电场对癌细胞的黏附、侵袭和迁移这 3 个方面的影响，观察到 μs脉冲电场对肿瘤复发和转移能力有抑制作用，且脉冲电场强度越大，抑制效果就越明显[4].

　　1.1.2 ns 脉冲电场暴露诱导细胞脂双层膜电穿孔治疗肿瘤。

　　电穿孔是指在高强度脉冲电场作用下细胞膜瞬时出现微孔的物理过程，其结果是细胞膜通透性显着提高，细胞内外分子交换明显增加，有利于细胞吸收周围介质中的外源物质，如各种药物、核苷酸、脱氧核糖核酸（DNA）、核糖核酸（RNA）、蛋白质、糖类、病毒颗粒和其他大分子物质等。电场取消后微孔即关闭，从而不会影响细胞膜的完整性。

　　电穿孔对于研究脉冲电场作用下的细胞结构和功能有重大意义，这种瞬时可逆的膜渗透性增强大大促进了化疗药物的跨膜转运，显着提高化疗药物对肿瘤细胞的杀伤力，为肿瘤的综合治疗提供了 1 种新的思路。近年来，有研究者单独使用脉冲电场[5-9],探及肿瘤组织，促使肿瘤细胞发生不可逆性电穿孔并最终死亡，从而达到治疗肿瘤的目的[10-12].

　　Schoenbach 等发现 ns 脉冲电场可以改变细胞器膜的跨膜电位，如线粒体膜电位，线粒体是动物细胞生成三磷酸腺苷（ATP）的主要地点，是促进细胞能量转换、参与细胞凋亡的重要细胞器，线粒体膜电位改变时可导致一系列细胞反应，该现象称为内处理效应[13].Nuccitelli 等观察到 ns 脉冲电场可通过诱导细胞周期发生改变等机制，促进荷瘤鼠皮肤癌细胞凋亡，从而抑制肿瘤组织的生长[14].

　　1.1.3 ps 脉冲电场暴露可无创治疗肿瘤

　　由于细胞膜与细胞核膜的充电时间常数远大于细胞线粒体膜的充电时间常数，所以在 ps 脉冲电场作用下，线粒体膜将先于细胞核膜与细胞膜受到脉冲的影响。为此，龙再全等在整合脉冲电场靶向诱导肿瘤细胞凋亡的窗口效应以及无创治疗的应用需求的基础上，提出应用冲激脉冲辐射天线将 ps脉冲聚集于肿瘤组织，改变肿瘤细胞线粒体跨膜电位，导致肿瘤细胞崩解，即通过启动线粒体途径的凋亡靶向诱导，实现肿瘤的无创治疗，目前初步实验与仿真结果验证了该理论的可行性[15].

　　1.2 低频电磁场暴露在骨病治疗中的应用

　　低频电磁场产生的脉冲间歇的磁场效应，模拟运动状态下的机体内生理活动微环境，具有改善骨生理相关的作用[16],如刺激成骨细胞生长，促进其释放生长因子等。低频脉冲电磁场已用于对动物的骨折机制及骨质疏松模型的研究，临床上已开展对骨折、骨质疏松及口腔种植体骨的治疗[17-18].施加脉冲电磁场后，骨干区（骨生成活性较低的部位）的骨密度明显增强。另外，低频脉冲电磁场还可促进骨形成相中的骨矿物质沉着[19].龙英等从细胞和分子水平上研究极低频电磁场的骨作用机理，采用特征与成骨细胞极为相似的成骨样细胞 UMR-106 细胞株，构建极低频电磁场实验照射系统，探究电磁场对成骨样细胞活性的影响。该实验观察到低能量正弦交变磁场可促进成骨样细胞的增殖，从而促进骨重建过程，为临床上治疗骨科疾病提供了新的物理手段[20].

　　1.3 脉冲式激光暴露在体内结石治疗中的应用

　　20 世纪 90 年代研制成功的钬激光，是采用氪闪烁光源激发嵌在钇铝石榴石晶体上的钬元素而产生的脉冲式激光[21].钬激光波长为 2 100 nm,脉冲持续时间达 250 μs,峰值功率可达 1 kW,尤其适用于泌尿外科的腔内手术治疗[22].以 Beagle 犬为研究对象，唐利军等开展了对 100 W 大功率钬激光治疗膀胱结石的安全性评价研究。病理学结果显示，钬激光碎石术后，膀胱黏膜出现不同程度的损伤，术后 14 d 膀胱组织学结构恢复正常，说明该损伤为可逆性，证明大功率医用钬激光对于治疗膀胱结石是安全有效的[23].此外，钬激光技术还可以应用于泌尿系统软组织疾病的治疗，如尿道和输尿管狭窄切开术、膀胱颈狭窄切开术、前列腺肥大切除术、泌尿系统细胞癌切除术等[24].钬激光术因手术操作简单、省时、创伤小、恢复时间短、疗效满意而受到泌尿外科医生的肯定，并越来越普遍应用于泌尿外科治疗[25].

　　1.4 驻极体暴露在药物临床治疗中的应用
　　
　　1.4.1 正极性驻极体暴露对胰岛素降糖效果的影响

　　正极性驻极体产生的静电场效应可有效提高胰岛素的降糖能力[26].胰岛素分子结构的稳定性与胰岛素分子间的静电力大小及分子力的大小密切相关[27].处于电场中的胰岛素分子易受外静电场作用，空间结构发生改变，使得胰岛素分子间的范德华力减小、静电排斥力增加，导致胰岛素二聚体的稳定性降低，从而在生理状况下易出现大量胰岛素单体，宏观表现为经电场作用后胰岛素降糖效果提高[28-31],这可能是驻极体改善胰岛素降糖效果的主要原因。

　　1.4.2 负极性驻极体暴露与环孢菌素 A 贴剂的压电性关系密切

　　负极性驻极体可引起环孢菌素 A 的极化，药物的极化与驻极体表面电位、驻极体作用时间、贴近内模型的药物质量密切相关；驻极体产生的电场力与极化的药物分子相互作用，可实现模型药物在驻极体环孢菌素 A 贴剂内的可控释放[32].驻极体透皮给药系统是以电作为驱动源，经皮给药的新手段。

　　驻极体作用于表皮后，毛囊孔径拓宽[33],同时表皮角质层脂质双分子间距离增大形成暂时可逆性通道，从而实现增加药物通透量及通透率的作用[34-37].

　　2 电磁暴露的健康危害性评价

　　2.1 微波暴露对健康的危害性评价

　　微波频率介于 300 MHz~30 GHz,大量文献报道，微波暴露生物效应的主要原因是诱导场。然而，目前关于接触射频会对健康造成损害方面，流行病学资料不一致[38].2010 年，欧洲率先启动了为期30 a 的流行病学大型队列研究。25 万人的手机使用情况及其与疾病的关系将被追踪调查，人们期待该项研究可以明确手机微波电磁辐射对人体是否造成危害及其危害程度[39].

　　2.2 工频电磁场暴露对健康的危害性评价

　　工频电磁场是指由高压输电线路、大功率电机、变压器及家用电器等电力设施或设备所产生的电磁场，中国及欧洲等大部分地区频率为 50 Hz,美国频率为 60 Hz,属于极低频电磁场（extremelylow frequency electro-magnetic fields, ELF-EMFs）范畴[40-41].在极低频电磁场尤其是在交流输变电工程所产生的工频电磁场下长期暴露，对人体健康影响的不确定性是当前社会关注的焦点，更是关系公共利益的问题[42].人体的器官和组织时刻处于稳定有序的微弱电磁场之中，一旦受到外界超强度电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场就会受到干扰,人体稳态遭到破坏，血液、淋巴和细胞原生质发生改变[44-46].

　　2.2.1 工频电磁场暴露对儿童白血病发生率的影响

　　关于极低频电磁场是否是儿童白血病发生的关键因素，很早就有争论[47].1979 年 WertheierN和 Leeper E[48]首次报道了 ELF-EMFs 可导致儿童白血病的发病率增加。此后，人们越来越关注ELF-EMFs 对人体健康可能造成损害的问题。有研究报道，居住在距高压和特高压输电线路的距离为200 m 和 200~600 m 范围内的儿童患白血病的概率比普通儿童分别高 70%和 23%[49].2005 年，经过分析一些流行病学资料后，加拿大政府公布，在高压输电线路附近居住的儿童罹患白血病的风险，与对照组相比，增加 2 倍[50].然而，2013 年，Sermage、Slusky、Buch、Salvan[51-54]等进行极低频电磁场与儿童白血病关系的流行病学调查分析，却得到了阴性结果，即没有发现有统计学意义的影响。国际癌症研究机构（IARC）在 2002 年就对极低频电磁场作出了明确评价：极低频磁场与儿童白血病相关致癌性的人体证据有限[55].

　　2.2.2 工频电磁场暴露对神经系统的影响

　　工频电磁场暴露对人的认知功能影响也有广泛的报道。当 ELF-EMFs 磁感应强度为 8 mT（频率为 50 Hz）、急性暴露持续时间为 20 min 时，大鼠的空间记忆能力受损，表现为动物逃避电击的潜伏期延长；当 ELF-EMFs 磁感应强度为 2 mT（频率为50 Hz）、急性暴露持续时间为 20 min 时，大鼠的空间记忆能力无明显改变[56-57]；当磁感应强度为 500μT（频率为 50 Hz）、急性暴露持续时间为 20 min 时，仅会对动物造成一些不适，其社交及领土行为则无明显改变[58]；但若长时间暴露（暴露持续时间延长至28 d 或 42 d），则大鼠的焦虑程度显着增强，脑组织中阿黑皮素原的含量增加[59].有研究结果表明，极低频电磁场暴露（频率为 50 Hz、磁感应强度为 400μT、暴露持续时间为 60 d）会导致大鼠体质量增长速度延缓、认知功能障碍、海马结构损伤及尼氏体含量减少。由此可见，ELF-EMFs 暴露可导致动物认知行为的改变，磁感应强度、暴露持续时间是关键因素[60].

　　2.3 太赫兹波（THz 波）暴露对健康的危害性评价

　　太赫兹波（THz 波）是指频率在 0.1~10 THz 范围内的电磁波，波长大概在 0.03~3 mm 范围内，介于微波与红外线之间。THz 波电磁效应普遍具有累积效应，2008 年有资料显示，THz 波持续照射 6 h 时间后即引起淋巴细胞的基因损伤[61].另有实验结果显示，体外培养的神经细胞经高强度（辐照度为 300W/m2）的 THz 波照射后，细胞膜受损。而以低功率和其他频率照射时未观察到细胞膜受损。近来有研究者认为，暴露于低水平 THz 波照射中，蛋白质的识别过程受到干扰[62].美国 LosAlamos 国家实验室观察到，在一定条件下 THz 波照射可导致 DNA 的双螺旋结构损伤，从而导致基因毒性[63].

　　2.4 核磁共振成像（MRI）技术暴露对健康的危害性评价

　　核磁共振成像（MRI）技术是利用原子核在磁场内共振所产生信号经计算机处理并重建成像的 1 种成像技术[64].原理是将受检者置于强大磁场中，给予一定频率的射频脉冲照射，人体在静磁场中运动的氢原子核与射频脉冲形成共振，分析释放的电磁波并绘制成人体内部精确立体图像。从图像中人们可以得到清晰的形态学信息，并可以分析得到生物化学、病理学相关信息[65].MRI 设备中的磁体磁场强度巨大，会对磁场中的顺磁性物质产生一定的影响。在强磁场的作用下，铁磁性物体从磁体以外的位置以一定速度投向磁体的现象称为投射效应。美国对 100 台 MRI 系统进行安全性调查，调查结果显示，20%左右的设备发生过铁磁性投射物安全事故，人员伤害或设备损失程度轻重不一[66].在进行 MRI检查时，静磁场、高速变化的梯度磁场及射频脉冲都会使人体生理功能发生不同程度的变化。静磁场对人体的效应主要有温度效应、磁流体动力学效应、心脏生物电改变及中枢神经系统效应等。有研究证明，静磁场可以使心血管系统中的血液及其他流动体液产生生物学效应，如静磁场能使血液中红细胞沉积速度加快[67].虽然在 MRI 检查过程中，上述现象并不会引发心功能不全，即无生物风险，但是，对原本患有心脏疾病的受检者进行 MRI 检查时，需要严密观察患者状态，时刻保持警惕以规避风险。