亞磁環境下小鼠生理及運動能力的適應性變化與天人相應理論

劉炳君 赫榮喬 王焱冰 胡平東 王秀梅 劉 纓

(1 北京中醫藥大學生命科學學院,北京,102488; 2 中國科學院生物物理研究所腦與認知國家重點實驗室,北京,100101; 3 中國科學院生物物理研究所大分子國家重點實驗室,北京,100101)

“天人相應”理論是中醫藥學理論重要的組成部分,《靈樞·歲露》載:“人與天地相參也,與日月相應也?！碧崾救四軌驅ψ匀唤绲挠绊懽鞒鱿鄳姆磻３址€態[1]。人類生活在由太空天體和地球綜合形成的時空磁場中,人體也是一個磁體,存在著心磁場、肺磁場等弱磁場,人體磁場與時空磁場的共振和合既是“天人相應”的重要體現,又是利用現代技術探索其生物學基礎的重要內容。磁場屬于自然環境中重要的一部分,隨著航天科技及醫療條件的進步,磁場對人類健康的影響以及磁場效應的醫學應用成為近幾年的研究熱點[2-5]。在脫離了地球環境的太空航行中,人類需要在亞磁場環境中生存,對亞磁效應的評估和預防是航天生命保障必須考慮的問題[6]。

相比其他空間因素如空間輻射和微重力的生物效應研究,用于風險評估的亞磁效應動物研究報道較少,且由于實驗對象和實驗條件的不一致,導致獲得的結果難以相互印證。目前亞磁場的地面模擬技術有2種:亥姆霍茲線圈系統(Helmholtz Coil System,HCS)和坡莫合金[7]亞磁系統(Permalloy Hypomagnetic System,PHS)在pubmed查找不到這些英文和英文縮寫(HCS的縮寫來源于引用文獻11,Permalloy來源于文獻7)。HCS能夠產生與環境地磁場方向相反的磁場,形成補償式亞磁環境。由電流提供的磁場大小和方向可控,補償地磁場得到的亞磁環境相對較小,對交變磁場的補償能力有限[8]。PHS利用一種高導磁材料將磁力線沿材料引開,從而屏蔽腔體內的磁場。這種方法能夠提供的磁場屏蔽空間更大,并且能夠同時屏蔽穩態磁場和交變磁場,對于環境中的電磁干擾也有很好的屏蔽效果[9]。CHOLERIS等[10]分別采用PHS和HCS(<400 nT)試驗,發現亞磁場對CD1小鼠的痛覺影響具有時間效應。早在1968年,BUSBY[11]報道了在PHS環境中飼養4個月的瑞士/韋伯斯特小鼠及其后代的運動能力比地磁環境的對照組更弱。1989年,俄國科學家發現60 d的PHS亞磁場曝露能夠導致Wistar大鼠的運動能力、耐力等下降[12];FU等[13]也使用小鼠獨立觀察到類似的效應。本實驗室前期研究表明,使用HCS處理C57小鼠30 d后,即出現其運動能力、耐力及身體協調能力等明顯下降[14]。由此可見,對亞磁曝露安全時長的確定還需要綜合分析。要獲得對哺乳動物長時間曝露于亞磁場時的生理及運動能力等方面的效應還需要統一實驗對象、條件系統研究。

因此,本實驗采用前期自主研發構建的HCS和PHS 2種不同的亞磁場模擬動物培養裝置,系統比較不同亞磁環境下雄性C57BL/6小鼠的生理及運動能力等指標隨處理時間的變化。揭示不同亞磁環境下小鼠長期磁響應的規律,將有助于進一步了解地磁場的生物作用,闡釋天人相應理論的生物學基礎,為亞磁危害的評估和干預提供必要的實驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 動物 8周齡的成年雄性C57BL/6小鼠(北京斯貝福生物技術有限公司提供,動物許可證號:SYXK2019-06)共60只,體質量(23±1)g。每籠飼養5只動物,為防止金屬對磁場的影響,小鼠飼養籠蓋子為塑料材質。在12 h晝夜周期條件下飼養(8:00關燈,20:00開燈),溫度(20±2)℃,換氣頻率:30次/h,濕度40%～60%。本研究通過北京中醫藥大學倫理委員會審批(倫理審批號:BUCM-4-2018052101-2074)。

1.1.2 儀器 亞磁系統:本文采用補償式HCS和屏蔽式PHS構建的不同亞磁環境以及相應的地磁場環境。HCS(中國科學院生物物理研究所和空間科學應用研究中心共同研發,型號:CAS-20121564)是6個置有銅線的圓形木質框形成直徑2 m的三軸線圈結構。通過反饋式磁場補償系統,將線圈中心的地磁場補償至零(日變化小于50 nT)。動物飼養在線圈內部的亞磁場中(<500 nT的區域),其對照組的動物被飼養在同一房間的木桌上,離線圈約1.5 m遠。見圖1。PHS(中國科學院生物物理研究所和空間科學應用研究中心共同研發,型號:CAS-20121748)分為坡莫合金屏蔽箱和地磁對照箱2部分。坡莫合金屏蔽箱能夠屏蔽外界的穩態磁場和交變磁場,得到深度屏蔽的亞磁場環境。地磁對照箱則是用來放置地磁對照組小鼠。見圖2。實驗體系中的靜態磁場和交變磁場,分別由高精度磁通門磁強計(中國科學院空間技術與應用科學中心,型號:CAS-3AFM)和感應式交變磁強計(中國計量科學研究院,型號:CCG-1000)測量。具體磁場條件見表1。

表1 亥姆霍茲亞磁系統磁場條件

圖1 亥姆霍茲亞磁系統

圖2 坡莫合金亞磁系統

其他儀器:轉棒儀(Harvard Apparatus公司,美國,型號:LE8205),跑步機(Harvard Apparatus公司,美國,型號:Panlab),熱板儀(Harvard Apparatus公司,美國,型號:Hot-Plate Thermal Analgesia Meter),血糖儀(Accu-Chek公司,德國,型號:智航血糖儀),血糖試紙(Accu-Chek公司,德國,型號:智航血糖試紙)。

1.2 方法

1.2.1 分組與模型制備 8周齡成年雄性C57BL/6小鼠60只,適應性飼養7天后,按照體質量2:1隨機分為亥姆霍茲亞磁組、亥姆霍茲對照組、坡莫合金亞磁組、坡莫合金對照組。亥姆霍茲亞磁組、亥姆霍茲對照組,每組20只小鼠,坡莫合金亞磁組、坡莫合金對照組,每組10只小鼠。使用磁強計測量2種亞磁場系統的磁場,計算出磁場總量,分別將各組在相應的磁場環境中處理1個月、3個月、12個月、24個月后進行小鼠行為學檢測,并在處理24個月后進行小鼠生理指標檢測。

1.2.2 檢測指標與方法 1)生理指標檢測:不同磁場處理24個月后,對小鼠的飲水和飲食消耗量及小鼠體質量進行統計。小鼠禁食不禁水12 h,取小鼠尾靜脈血滴在血糖試紙上,將試紙放在血糖儀的感應區域測量空腹血糖。2)熱板儀實驗:調節熱板溫度至55 ℃,將待測小鼠快速放于熱板上,仔細觀察其行為,當小鼠出現快速抖動后足或舔舐后足的行為時,迅速按下計時器,每只小鼠試驗3次,每次間隔30 min,取其平均值作為最終結果。3)跑步機實驗:設備由轉動的傳送帶、4個獨立通道、一個控制器和電擊器組成。實驗開始第一階段,傳送帶和電擊關閉,小鼠放置在通道中自由探索,每個通道1只,總共持續15 min。第二階段,將傳送帶速度設置為5 cm/s,電刺激系統設置為0.2 mA,使動物熱身5 min。第三階段,在低速運行的基礎上,傳送帶每10 s加速(0.1 cm/s),最大速度為50 cm/s。在此階段,當小鼠連續遭受電擊超過5 s不離開,或連續3次遭受持續2 s的電擊,判斷為小鼠力竭。在傳送帶上跑動的時間或總距離反映小鼠的運動能力。4)轉棒實驗:用來檢測動物的身體協調能力,實驗分訓練階段和測試階段。首先,小鼠先以4 r/min的低速在旋轉桿上保持平衡進行適應性訓練3 d,每天訓練3次,每次10 min,實驗間隔2 h。第4天進行正式實驗,速度為4～40 r/min,5 min內勻加速,記錄每只小鼠掉落潛伏期,共進行3輪,取3次實驗結果的平均值。

2 結果

2.1 24個月亞磁場曝露導致小鼠飲水、飲食量增加,空腹血糖水平下降 結果顯示,與亥姆霍茲對照組、坡莫合金其對照組比較,亥姆霍茲亞磁組、坡莫合金亞磁組飲水量均顯著增加(P<0.05,P<0.01),飲食量有上升趨勢。處理24個月后,亞磁場中的動物體質量沒有出現顯著變化。坡莫合金亞磁組小鼠的空腹血糖水平較其他3組均明顯下降(P<0.05,P<0.01,P<0.001)。見圖3。

圖3 24個月亞磁場曝露對小鼠飲食飲水、體質量及血糖的影響

2.2 亞磁處理對小鼠熱痛覺敏感性的影響 通過長時間動態檢測發現,亞磁場處理小鼠1個月后并沒有表現出痛覺敏感度的差異。3個月時,坡莫合金亞磁組的熱痛覺敏感性明顯高于亥姆霍茲對照組、坡莫合金對照組,差異有統計學意義(P<0.01,P<0.05)。隨著處理時間的延長,效應變得更加顯著,12個月時,亥姆霍茲亞磁組和坡莫合金亞磁組在熱痛覺敏感度上均高于亥姆霍茲對照組、坡莫合金對照組,差異有統計學意義(P<0.000 1,P<0.01)。坡莫合金對照組小鼠的熱痛覺敏感程度要顯著高于亥姆霍茲對照組,差異有統計學意義(P<0.05)。24個月時,坡莫合金亞磁組小鼠熱痛覺敏感性明顯高于亥姆霍茲亞磁組,差異有統計學意義(P<0.05)。另外,觀察其余各組發現亞磁場的效應出現減弱。見圖4。

圖4 長期亞磁曝露對小鼠熱痛覺敏感性的影響

2.3 亞磁場處理對小鼠運動能力的影響 我們采用跑步機實驗來評估亞磁場對小鼠運動能力的影響。結果顯示,亞磁場處理1個月時,小鼠的運動能力較其對照組差異無統計學意義(P>0.05)。3個月時,亥姆霍茲亞磁組小鼠運動能力明顯低于亥姆霍茲對照組,差異有統計學意義(P<0.05),且坡莫合金對照組運動能力明顯小于亥姆霍茲對照組,差異有統計學意義(P<0.05)。12個月時,效應變得更加顯著,2種亞磁處理組小鼠運動能力均顯著下降,差異有統計學意義(P<0.05),且坡莫合金亞磁組及其對照組小鼠運動能力明顯低于亥姆霍茲亞磁組及其對照組,差異有統計學意義(P<0.001)。24個月時,亞磁場的效應減弱,差異無統計學意義(P>0.05)。見圖5。

圖5 亞磁場處理對小鼠運動能力的影響

2.4 亞磁場處理對小鼠身體協調能力的影響 結果發現,亞磁場處理1個月未對小鼠協調能力產生影響。3個月時,亥姆霍茲亞磁組小鼠身體協調能力較其對照組顯著下降,差異有統計學意義(P<0.05),坡莫合金對照組小鼠身體協調能力較亥姆霍茲對照組顯著下降,差異有統計學意義(P<0.01)。12個月時,效應同樣更加顯著,2組亞磁場模擬組小鼠的身體協調能力均低于其對照組,差異有統計學意義(P<0.01),且坡莫合金亞磁組及其對照組小鼠的身體協調能力明顯低于亥姆霍茲亞磁組及其對照組,差異有統計學意義(P<0.05,P<0.01)。24個月時,亞磁場的效應減弱。見圖6。

圖6 亞磁場處理對小鼠身體協調能力的影響

3 討論

“天人相應”理論認為自然環境的變化規律與人本身的生理調控機制是相互呼應的,強調天地之變化與人的生理病理改變具有統一性[15]。磁場是一種能量場,是自然環境中重要的組成部分,對生物的生命活動產生影響。隨著人類航天計劃向深空探測的擴展,宇航員需要脫離地磁場,在“亞磁場”環境中長期生存。但亞磁生物學效應研究不足,特別是關于亞磁環境長時間曝露的影響研究較為缺乏,并且由于現有文獻[8]中亞磁場構建方式、參數、曝露時長、研究對象及指標不同,導致研究結果之間參考性弱,難以重復。研究同一條件下亞磁場對動物生理和運動能力的影響和變化規律不僅將為建立亞磁效應風險評估標準提供必要基礎數據,對利用磁場進行臨床干預或對宇航員健康維護具有重要的應用價值,還將有助于明確地磁場的生物學功能,為“天人相應”理論提供生物實驗依據。

莫煒川等[16]以HCS(<500 nT)處理小鼠1個月后,小鼠熱痛覺敏感性顯著上升。小鼠的痛覺閾值具有晝夜節律性,松果體及其分泌的褪黑激素與痛覺晝夜節律有密切關系[17-18],因此,本實驗1個月時與相關熱痛覺敏感檢測結果有差異,推測可能與實驗者檢測時間的不同有關。早在2000年,DEL等[19](<100 nT)發現短期亞磁場暴露對小鼠具有鎮痛作用;PRATO等[20]以PHS亞磁環境(<1 μT),每天處理小鼠1 h,連續10 d后,發現小鼠熱痛覺敏感度降低。短期的結果與長期亞磁場處理的結果不同,推測是動物短時間感受亞磁場后產生的應激效應,隨著本實驗中處理時間的延長,3個月時,小鼠熱痛覺敏感性顯著上升,說明動物的短期應激效應慢慢轉變成了動物調節后的狀態;12個月時,小鼠的痛覺敏感性上升更加明顯,說明動物調節后的狀態隨著時間的延長出現了加強,也說明該效應強度與亞磁場曝露時長正相關;24個月時,亞磁場的效應出現減弱,說明動物在亞磁場的環境出現了適應后的狀態。

LEVINA等[21]發現飼養在亞磁場中的大鼠的行為能力和耐力出現顯著下降,隨后又有研究報道果蠅、C57小鼠在亞磁場中運動能力下降等現象[22-23]。本實驗發現HCS和PHS 2種不同的亞磁場模擬方式經1個月的亞磁場處理未導致小鼠的運動能力發生明顯變化,這與實驗室先前的研究結果有差異,我們推測是由于實驗時使用不同批次的小鼠導致。而隨著本實驗中亞磁處理時間的不斷延長,小鼠運動能力及身體協調能力表現出與本實驗中不同時間點小鼠熱痛覺敏感性類似的趨勢:3個月時,小鼠的運動能力及身體協調能力出現明顯下降,12個月時,上述效應更強,說明該效應強度也是與時間的累積成正比;24個月時,上述效應則出現了減弱,我們推測這也是動物對亞磁環境適應了之后的狀態。高強度運動誘導的疲勞可提高痛覺閾值[24],運動能力減弱是否也與亞磁暴露小鼠的熱痛覺敏感性增加有關有待進一步研究。REN等[25]曾做過動物對地磁場的感應依賴光照條件的研究,為了更好地區別出不同磁場屏蔽方式的差別,我們將坡莫合金亞磁組和坡莫合金對照組設置為無光環境。我們發現PHS所構建的亞磁場環境在小鼠的熱痛覺敏感性、運動能力及身體協調能力方面的效應更為明顯,該差異可能與本文PHS的無光設置相關。另一方面,我們還發現一個有趣的現象,單獨屏蔽光照的地磁場環境能使小鼠的熱痛覺敏感度明顯升高,且能夠使小鼠的運動能力和平衡協調能力明顯下降。而本實驗的結果也證實了單獨屏蔽光照能夠減弱動物對地磁場的感應從而達到了類似于亞磁場的效果,表明光照屏蔽能夠加強長期亞磁效應,光照調節可能是挽回亞磁效應的有效途徑。

我們還發現亞磁處理24個月后小鼠飲水飲食量均有增加,但體質量沒有出現顯著變化,小鼠空腹血糖結果顯示坡莫合金亞磁組小鼠血液中葡萄糖含量最低。葡萄糖作為細胞主要產能物質,維持著細胞正常的生命活動[26]。骨骼肌作為胰島素刺激糖攝取的最大靶器官,消耗全身約80%的葡萄糖[27-28]。血糖水平下降可影響骨骼肌的能量產生,使骨骼肌有氧呼吸產能不足,導致運動能力下降[29]。因此,我們推測亞磁場處理可能通過影響小鼠的葡萄糖代謝水平,從而導致小鼠運動能力下降。

綜上所述,本實驗采用HCS和PHS這2種不同的亞磁場模擬方式,通過長時間的動態分析,系統檢測了長期不同亞磁場處理對小鼠的生理及運動能力等方面的影響,發現3個月和12個月的長期亞磁場曝露會導致小鼠熱痛覺敏感性升高,運動能力和身體協調能力下降,且具有時間累積效應;PHS所構建的同時屏蔽交變磁場和穩態磁場的環境能夠提供更強于HCS構建的只屏蔽穩態磁場的效果。單獨屏蔽光照能夠加強長期亞磁效應,我們推測光照調節可能是挽回亞磁效應的有效途徑;繼續將處理延長至24個月,亞磁組小鼠的差異下降。各項指標從短期應激,到效應累積、適應的動態變化也與“天人相應”不謀而合,外環境的改變能夠導致動物健康狀態的失衡,而隨著動物對環境的適應,失衡的健康狀態又再次與外在的環境達到統一。本研究結果對于從亞磁場角度闡釋和闡釋天人相應理論的科學內涵具有重要參考價值,還對于認識亞磁場效應的作用時間點、篩選相應亞磁場效應的有效參數,為認識亞磁場對動物生理及運動能力方面的影響,以及宇航員長時間深空探測的健康安全監測指標選擇提供重要的實驗依據和參考。

利益沖突聲明:無。